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PROCEDE DE FUSION DE SUBSTANCES ZINCIFERES.
La présente invention concerne la fusion de substances zincifères, et plus particulièrement la fusion de ces substances dans un four électrique à arc.
Pendant plusieurs générations, la fusion des substances zincifères, et en particulier des minerais de zinc, a été limitée à celle des substances contenant une proportion relativement faible de fer. Lorsque la fusion s'effectue dans des cornues, c'est-à-dire dans les cornues belges et dans les cornues modernes verticales qui leur ont succédé, la présence d'une proportion relativement forte de fer dans la charge, par exemple la proportion de fer de la franklinite, a exercé une action nuisible, prohibitive, sur les parois de la cornue. Par suite, de nombreux gisements de minerai dans le monde ont été considérés comme inexploitables à cause de leur teneur relativement forte en fer.
Les catégories de substances zincifères susceptibles d'être fondues avec succès ont récemment été élargies du fait de la mise au point d'un procédé de fusion de substances zincifères à teneur modérée en fer dans un four électrique. Ce procédé dit procédé de Sterling et décrit dans les brevets
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des Etàts-U"m.s"d' IÏ1éM.q).iè'NoS 205980741-2.598.745 du 3 juin 1952 s'applique non seulement à ces charges à teneur modérée en fer, mais profite de la présence du fer pour faciliter la formation d'une vapeur de zinc condensable. En effet, suivant le procédé de Sterling, on se sert de la chaleur endothermique de la réduction de l'oxyde de fer pour amortir et régler la température de la charge et de la scorie formée.
Ce réglage de la température a pour effet de réduire au minimum la volatilisation des éléments de la charge et de la scorie, qui a tendance à faciliter la condensation de la vapeur de zinc dégagée sous forme de poudre de zinc ou de poudre bleue au lieu d'une masse fondue.
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Pour réaliser l'action précitée de réglage de la température, on choisit la proportion de l'agent réducteur du procédé Sterling de façon à laisser subsister dans la scorie sensiblement exempte de zinc une proportion minimum d'environ 1,5 % d'oxyde de fer (rapportée à Fe). Si la teneur en oxyde de fer de la substance zincifère elle-même ne dépasse pas environ 2% en poids, on ajoute à la charge un supplément d'oxyde de fer extérieur pour obtenir avec certitude cette teneur minimum nécessaire en oxyde de fer dans la scorie.
D'autre part, étant donné que du fer métallique se forme au cours de la fusion et que ce fer doit contenir au moins 1,5 à 2% de carbone pour rester fondu à la température existant dans le four et qui ne dépasse pas 145000, environ la teneur en oxyde de fer de la scorie du procédé Sterling ne doit pas pouvoir dépasser environ 6% (rapportée'à Fe), sinon la nature très fortement oxydante de la scorie obtenue produit une décarburation du fer au point qu'on ne peut plus le faire couler à la température existant dans le four.
Il a été maintenant découvert selon l'invention qu'il est possible de fondre des substances zincifères relativement riches en zinc et pauvres en fer dans un four à arc électrique de façon à obtenir une vapeur de zinc condensable sans régler la teneur en oxyde de fer de la scorie formée, pourvu que certaines autres conditions soient remplies. En effet, il a été découvert qu'on peut fondre dans un four à arc électrique des substances zincifères contenant au moins 50% de zinc (rapporté à Zn) en présence d'une proportion de l'agent réducteur choisie de façon à ne pas réduire une proportion appréciable de l'oxyde de fer de la charge à l'état de fer métallique, pourvu que la teneur en oxyde de fer de la scorie et le rapport chaux : silice de ces éléments de la scorie soient maintenus entre certaines limites.
En réglant d'une manière appropriée ces facteurs dans la composition de la scorie, on a constaté qu'on peut fondre dans un four à arc électrique des substances zincifères de qualité supérieure sans réduction appréciable de l'oxyde de fer à l'état de fer métallique fondu.
En conséquence, le procédé suivant l'invention consiste à fondre une substance zincifère contenant de l'oxyde de fer avec un agent réducteur carboné solide, la teneur en zinc de la substance zincifère (rapportée à Zn) étant au moins égale à 50% en poids et l'oxyde de fer de la charge (rapporté à Fe) constituant jusqu'à 25% en poids de la totalité des éléments non zincifères de formation de la scorie dans la. charge.
Le procédé suivant l'invention consiste à mélanger la substance zincifère avec une proportion de l'agent-réducteur suffisante pour réduire à l'état de zinc métallique au moins 90% de l'oxyde de zinc de la substance zincifère, mais insuffisante pour réduire: l'oxyde de fer à l'état de fer métallique fondu pouvant être recueilli, à incorporer à la charge une proportion d'un agent de flux extérieur du groupe formé par la chaux et la silice, suffisante pour que le rapport chaux : silice dans les ¯éléments de formation de la scorie de la char- ge soit compris entre environ 0,6 : 1 et 1 :
1. On charge ce mélange dans un four à arc électrique et on le fond hors de contact direct avec l'arc, en formant ainsi une scorie fondue contenant jusqu'à 25% en poids d'oxyde ferreux (rapporté à Fe) avec dégagement d'une vapeur de zinc métallique sus- ceptinle de se condenser en majeure partie à l'état de zinc fondu.
Les substances zincifères qui peuvent être fondues par le procédé suivant l'invention comprennent les minerais et les concentrés de zinc, soit les concentrés physiques, soit les concentrés pyrométallurgiques. Par exemple, on peut traiter par le procédé suivant l'invention les concentrés de flottation de zinc grillé, l'oxyde de Waelz fritté (concentré pyrométallurgique), l'oxyde de zinc de rebut, les fumées zincifères, etc.. Quelle que soit sa provenance, la substance zincifère chargée dans l'opération de fusion doit contenir au moins 50% de zinc (rapporté à Zn) et de préférence au moins 65% de zinc.
Par exemple, on peut traiter d'une manière efficace par le procédé de fusion suivant l'invention les minerais de zinc tels que les minerais d'Austinville (70% Zn et 1,5-2;5% Fé) et les fumées de four
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zincifères calcinées (68% Zn et 0,8% Fe). La composition de l'oxyde de
Waelz fritté qui contient environ 70% de zinc est très voisine en zinc, fer et gangue de celle du minerai d'Austinville, et cet oxyde peut être fondu par un traitement semblable. Les substances zincifères dont la te- neur en zinc est inférieure à environ 50% peuvent être enrichies par l'ad- dition d'un produit riche en zinc, tel que les fumées de zinc, et le procé- dé suivant l'invention se prête de cette manière au traitement d'un grand nombre de substances zincifères à teneur en oxyde de fer relativement faible.
La teneur en oxyde de fer des substances zincifères précitées à forte teneur en zinc est généralement faible, parce que l'oxyde de fer ne représente qu'un seul des nombreux autres éléments non zincifères qui constituent le faible complément de la matière première zincifère. La teneur en oxyde de fer de ces substances zincifères, telles qu'elles peu- vent être chargées dans l'opération de:fusion suivant l'invention, peut varier entre des limites étendues et le rapport entre les proportions d'oxy- de de fer et de zinc de la charge est relativement sans importance. Toutefois, les proportions relatives entre l'oxyde de fer et les éléments non zincifères de la charge sont importantes dans l'application de l'invention dans la pratique.
En effet, on a constaté que la proportion de l'oxyde de fer de la charge (comprenant l'oxyde de fer de la substance zincifère et celui des éléments de formation des cendres de l'agent réducteur carboné solide) peut avoir une valeur quelconque, mais ne dépassant pas environ 25% (rapportée à Fe) en poids de la totalité des éléments non zincifères de la charge. Lorsque la teneur en fer de la scorie dépasse environ 25% en poids de la scorie, il se forme des quantités appréciables de fer métallique qui s'accumulent dans le four, contrairement à ce qui se passe dans l'application de l'invention.
Si la teneur en oxyde de fer (rapportée à Fe) de la scorie est comprise entre 5% et 25%, l'oxyde de fer fait acquérir à la scorie formée une fluidité suffisante pour y provoquer une circulation appropriée par convexion et empêcher une surchauffe locale nuisible au voisinage des arcs du four. En empêchant cette surchauffe locale de la scorie, on empêche la chaux, la silice et la magnésie de se volatiliser,soit par réduction, soit par volatilisation directe, soit par ces deux moyens, et les vapeurs de zinc qui se dégagent ne contiennent sensiblement pas de ces éléments volatilisés, qui auraient tendance à provoquer la formation de poussière de zinc ou de poudre bleue pendant l'opération de condensation du zinc.
Lorsque la teneur en oxyde de fer de la scorie est inférieure à 5% (rapportée à Fé) on réalise une fluidité appropriée de la scorie en choisissant la valeur du rapport entre la chaux et la silice sensiblement égale à celle du maximim compris entre les limites précitées de 0,6 : 1 et 1 :1.
On fait acquérir à la scorie formée par l'opération de fusion suivant l'invention la teneur précitée en oxyde de fer en incorporant à la charge une proportion d'un agent réducteur carboné, solide, suffisante pour réduire au moins 90%, et de préférence au moins 95%, de l'oxyde de zinc contenu dans la substance zincifère à l'état de zinc métallique, mais insuffisante pour réduire l'oxyde de fer à l'état de fer métallique fondu pouvant être recueilli. La formation éventuelle d'une certaine quantité de fer métallique sous forme de particules d'éponge de fer en suspension dans la scorie peut être acceptée, mais est sans importance appréciable dans le procédé suivant l'invention.
Il convient suivant l'invention d'empêcher la formation d'une proportion appréciable de fer fondu pouvant être recueilli ou susceptible de couler, et c'est la formation du fer sous cette dernière forme qui doit être évitée en réglant la proportion de l'agent réducteur à ajouter dans le procédé suivant l'invention.
L'agent réducteur carboné solide de l'opération de fusion suivant l'invention peut être sous une forme quelconque courante dans les opérations de fusion métallurgiques. Par exemple, il est particulièrement avantageux d'ajouter de la houille et du coke et de préférence sous forme
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de particules d'une grosseur comprise entre un maximum d'environ 12,7 mm de diamètre et celle du charbon pulvérisé. Il y a lieu de considérer le type de houille ou de coke à ajouter à l'opération de fusion pour déterminer la teneur en-oxyde de fer précitée de la charge.
La teneur en oxyde de fer de la houille et du coke est souvent comprise entre 5% et 10% de la totalité de l'oxyde de fer de la charge et ne peut être négligée dans les calculs relatifs à la composition de la chargé dans l'application de l'invention.
La composition de la charge doit aussi être réglée de façon à donner au rapport entre la chaux et la silice de la scorie une valeur comprise entre certaines limites, généralement en raison inverse de la teneur en oxyde de fer de la scorie. La valeur maximum du rapport entre la chaux et la silice qui peut être choisie en donnant des résultats satisfaisants parait être sensiblement égale à 1 : 1 et sa valeur minimum à environ 0,6:1.
En donnant au rapport entre la chaux Et la silice une valeur élevée comprise Entre ces limites,non seulementcn obtient avec certitude une fluidité appropriée delà. scorie, mais encore m empêche la formationdesilicate de zinc àfaibleteneuren oxyde de fer et, dans la mesure ou l'on empêchera formation du silicate de zinc,on facilite la récupération du zinc contenu dans la charge.
D'autre part,lorsque la teneur en oxyde de fer de la scorie est voisine de la limite supérieure.de 25% (rapportée à Fe), il est avantageux de donner une faible valeur au rapport entre la chaux et la silice entre les limites précitées, du fait qu'on réduit au minimum la tendance normale d'une réduction de l'oxyde de fer dans ces scories contenant une proportion relativement forte d'oxyde de fer.
La relation entre le rapport le plus avantageux entre la chaux et la silice et la teneur en oxyde de fer de la scorie est donc telle que, lorsque la teneur en oxyde de fer est voisine de sa limite supérieure admissible, le rapport entre la chaux et la silice doit être en général voisin de sa limite inférieure de 0,6: 1 et que lorsque la teneur en oxyde de fer de la scorie devinet inférieure à environ 5%, le rapport entre la chaux et la silice doit être voisin de sa limite supérieure 1 : 1. Lorsque la teneur en oxyde de fer précitée de la scorie est comprise entre 5% et 20% en poids de la scorie, le rapport entre la chaux et la silice peut varier largement entre ses limites supérieure et inférieure.
Si ces conditions générales sont remplies, on obtient un rendement maximum en zinc métallique et une production minimum de fer métallique fondu. Etant donné que la teneur en oxyde de fer de la charge est généralement déterminée par la nature de la substance zincifère de la charge, on peut remplir les conditions prescrites, si elles n'existent pas déjà par hasard en raison de la composition des substances zincifères et des agents réducteurs de la charge, en ajoutant une proportion de chaux ou de silice de provenance extérieure, suivant le cas, suffisante pour donner au rapport entre la chaux et la silice la valeur nécessaire.
La fusion de la charge ainsi obtenue peut s'effectuer facilement dans un four à arc électrique ordinaire. Mais l'opération de chargement ét la position des électrodes doivent être réglées de façon à éviter à peu près complètement le contact direct entre les arcs du four et la charge non fondue.
Par exemple, on peut faire arriver la charge dans la portion centrale du four de façon à la faire flotter sur la surface de la masse de scorie formée par l'opération de fusion, mais si le chargements'effectue de cette manière, les extrémités des électrodes doivent plonger en partie dans la masse de scorie de façon à maintenir les arcs à. l'état de submersion autour des électrodes ;
c'est-à-dire que si l'on opère de cette manière, les électrodes doivent suffisamment plonger dans la masse de scorie pour qu'il se forme un grand nombre d'arcs relativement petits entre la portion immergée de chaque électrode et la masse de scorie, à l'encontre d'un arc découvert qui jaillit ontre la surface de la masse de scorie et l'extrémité d'une électrode disposée au-dessus de cette masse, et aussi à l'encontre d'un chauffage de la scorie par résistance qui consiste à plonger l'électrode assez profondément dans la masse de scorie pour maintenir un contact sans arc entre la scorie et l'électrode.
D'autre part, oh peut faire arriver
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la charge dans le four en majeure partie par des ouvertures disposées péri- phériquement dans la voûte du four, de façon que la charge forme un talus incliné vers le bas et en dedans, se dirigeant vers les électrodes du four mais sans venir à leur contact. Le chargement s'effectuant de cette der- nière manière, on peut disposer les électrodes à une hauteur suffisante au-dessus de la surface de la masse de scorie pour faire jaillir des arcs découverts qui chauffent la charge principalement par rayonnement.
En opé- rant de ces deux manières, c'est-à-dire en effectuant la chauffage par un arc immergé ou par un arc découvert, la fluidité de la scorie formée en choisi-ssant la proportion des éléments de la charge de la manière indiquée ci-dessus est suffisante pour que la chaleur de l'arc se répartisse rapi- dement dans toute la masse de la scorie, en réduisant ainsi au minimum la formation de surchauffes locales de la scorie. La fluidité de la scorie formée suivant l'invention facilite aussi la transmission de la chaleur des arcs immergés ou découverts à la charge par le contact physique entre la charge et la scorie chauffée par les arcs.
On remarquera qu'en effectuant l'opération de fusion par l'un ou l'autre des deux procédés décrits ci-dessus, la chaleur de fusion est transmise à la charge sensiblement aans contact entre la charge non fondue et les arcs du four, la transmission de la chaleur s'effectuant soit en ma- jeure partie par convection à travers la scorie, soit en majeure partie par rayonnement'de l'arc, soit par une combinaison de ces deux moyens.
On règle la puissance à l'entrée du four fonctionnant de l'une ou l'autre de ces deux manières de façon à empêcher la température du four de dépasser 1450 C, mesurée par la température de la scorie s'écoulant du four.
On a constaté qu'en maintenant ces conditions de fusion, en combinaison avec les relations entre les éléments de la charge indiqués ci-dessus, la vapeur de zinc qui se dégage de la charge peut se condenser en majeure partie à l'état de zinc métallique fondu.
La condensation des gaz de fusion contenant la vapeur de zinc obtenus suivant l'invention peut s'effectuer facilement avec un rendement élevé. Quoique la vapeur de zinc puisse se condenser d'une manière efficace dans des condenseurs fixes du type à chicanes tels qu'ils sont décrits dans le brevet des Etats-Unis 1.873.861 du 23 Août 1932, la condensation peut s'effectuer d'une manière particulièrement avantageuse dans un condenseur du type dans lequel la vapeur de zinc est amenée en contact intime avec une surface relativement étendue et venant d'être découverte de zinc fondu.
Ce type de condenseur est ,représenté par un condenseur dans lequel on fait passer les gaz contenant la vapeur de zinc à travers une pluie de zinc fondu refoulée sous pression dans une zone de condensation fermée, comme décrit dans les brevets des Etats-Unis d'amérique NOs 2.457.544 à 2.457.551 du 28 décembre 1948 et 2.494.551 du 17 janvier 1950 .
La seule condition à remplir par la charge au point de vue de sa forme physique dans la mise en pratique de l'invention est qu'elle soit en vrac et sèche. Le terme "en vrac" signifie que la charge ne doit pas être introduite sous forme massive, par exemple sous forme d'un seul gros bloc aggloméré. Elle doit être en vrac, c'est-à-dire qu'elle doit tomber librement sur la surface de la,scorie fondue et s'y étaler conformément à l'angle du talus d'éboulement de ses particules. En dLsant que la charge doit être "séche",il faut entendre qu'elle ne doit pas être introduite à l'état fondu.
Suivant une caractéristique du procédé de fusion selon l'invention, la charge fond hors de contact avec les arcs du four, et cette condition ne peut être remplie que si la charge est introduite dans le four sous la forme précitée en vrac et sèche.
Le nouveau procédé suivant l'invention a été appliqué avec succès à des opératiqns à l'échelle industrielle en vue d'obtenir du zinc métallique pouvant être recueilli. Par exemple, pendant une marche de 45 jours, on a fondu 154.400 Kgs environ de fumée zincifères de four contenant 68,4% de Zn et 0,80% de Fe sous forme d'oxydes de ces métaux dans un four à arc
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électrique triphasé de 500 kw. On forme des granules avec les fumées zinci- fères à l'état de fine division,on les calcine,on les mélange avec de la nouille anthraciteuse n 3 Buckwheat de acon à former un mélange de charge contenant suffisamment de carbone pour réduire au moins 95% de l'oxyde de zinc contenu dans la charge à l'état de zinc métallique.
On introduit le mélange de la charge dans le -'our par des trous de chargement percés dans:La périphérie de la voûte du four de façon à former une couche inclinée de la charge au voisinage des parois intérieures du four. Les électrodes en graphite du four sont disposées dans la portion centrale du four de sorte que leurs arcs électriques ne sont pas en contact direct avec la charge non réduite. La température moyenne de la scorie pendant toute la durée de la période de 45 jours est d'environ 1200 G. La composition moyenne de la scorie évacuée du four pendant cette période est de 5,8 % Zn et 16,1% ; FeO (rapporté à Fe) et le rapport moyen entre la chaux et la silice est de 0,61
1.
La quantité de fer métallique formé au cours de l'essai est insignifian- te, et le rendement de 102. 000 Kgs environ de billettes de zinc obtenues en - condensant la vapeur de zinc dégagée dans le four représente une récupération de 95% du zinc contenu dans la charge.
On voit que le procédé suivant l'invention permet de fondre des substances zincifères à teneur en zinc relativement élevée, sans que la charge doive contenir une proportion d'oxyde de fer suffisante pour maintenir les conditions d'amortissement de la température en raison de la chaleur endothermique de sa réduction, On a constaté d'après les essais effectués que les scories formées par le procédé suivant l'invention contiennent environ 5 à 10% de zinc, et parfois un peu plus mais que la quantité de scorie formée par l'opération de fusion est si faible par rapport à la teneur en zinc de la charge que la teneur en zinc de la scorie ne représente qu'un très faible pourcentage de celle de la charge.
Par exemple, si l'on fond une charge d'oxyde de zinc fritté de Waelz contenant environ 70% de zinc (rapporté à Zn), la présence de 3% en poids de zinc dans la scorie correspond à une élimination de 99,6% de la teneur en zinc de la charge sous forme de vapeur de zinc, et celle d'une proportion atteignant 10% indique qu'on a éliminé de la charge 98,2% de zinc. En conséquence, bien que la teneur en zinc des scories formées par le procédé suivant l'invention puisse paraître assez élevée, elle est néanmoins si faible par rapport à la quantité totale de zinc éliminée de la charge qu'il n'y a pas lieu de prendre d'autres précautions pour abaisser encore la teneur en zinc de la scorie formée au cours de l'opération de fusion.
Le fait qu'il n'y a pas lieu de se préoccuper de recueillir le zinc dans la scorie améliore la qualité des gaz de fusion contenant du zinc et permet de condenser cette vapeur de zinc en majeure partie sous forme de métal fondu, sans formation de quantités prohibitives de poussière de zinc ou de poudre bleue.