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Description jointe à une demande de
BREVET BELGE déposée par la société dite : CANADIAN LIQUID AIR LTD-
AIR LIQUIDE CANADA LTEE ayant pour objet : Procédé de conversion de mattes d'un métal non ferreux en ce métal ou un sulfure de ce métal Qualification proposée : BREVET D'IMPORTATION basé sur le brevet américain déposé le 27 mars 1979 sous le nO 0240243 et accordé le 9 décembre 1980 sous le nO 402380228
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La présente invention se rapporte à la conversion de mattes d'un métal non ferreux en ce métal ou un sulfure de ce métal.
Le convertisseur Pierce-Smith est largement utilisé pour cette application depuis le début du vingtième siècle et ce procédé de conversion mis en oeuvre dans cet appareil sera utilisé pour illustrer la présente invention par un exemple. Le fonctionnement de cet appareil est décrit en détail dans"Extractive Metallurgy of Copper"de Newton, chapitre V,"Converting" ; dans"Extractive Metallurgy of Sulfide Ores"de Boldt et P.
Queneau, pages 249-252 (1967) et on peut trouver davantage d'informations sur les complexités de l'opération de conversion dans des articles tels que"Metallurgy of the Converting Process in the Thompson Smelter", article qui était destiné à être présenté à la 14ème Conférence Annuelle des Métallurgistes à Edmonton (Canada) en août 1975, le contenu de ces publications étant incorporé dans le présent mémoire à titre de référence.
En principe, le convertisseur Pierce-Smith est composé d'un cylindre horizontal formant intérieurement une chambre allongée, fermée, à revêtement réfractaire, et qui présente-une paroi latérale cylindrique et des parois d'extrémités circulaires. La paroi latérale est munie d'une ouverture prévue pour le chargement et le déchargement, équipée d'une hotte et qui est située entre les parois d'extrémités, et d'une rangée de tubes d'injection, ou tuyères, qui pénètrent dans la chambre, à travers le revêtement ré-
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fractaire.
Cette cuve peut être basculée entre une position de chargement, dans laquelle l'ouverture est accessible par le côté par où elle peut être chargée, et une position de soufflage, dans laquelle l'ouverture de chargement est dirigée vers le haut et recouverte par la hotte et où elle forme une sortie de gaz de fumées. Lorsque la cuve se trouve dans la position de soufflage, de l'air ou de l'air légèrement enrichi en oxygène est soufflé par les tuyères, à basse pression, typiquement de 1,1 bar en pression relative, pour oxyder le fer et le soufre contenus dans la matte et, de cette façon, séparer ces substances de la matte pour former une scorie et dégager des gaz de fumées, en fait, du dioxyde de soufre.
Le fer est transformé en oxyde de fer, fondu à l'aide de silice et éliminé sous la forme d'une scorie, tandis que le soufre est oxydé en dioxyde de soufre, lequel s'échappe du convertisseur dans les gaz de fumées. On trouvera d'autres détails de l'opération de conversion effectuée dans le convertisseur Pierce-Smith dans les publications précitées ainsi que certaines des complexités des réactions chimiques, de la transmission de la chaleur et d'autres modifications relativement complexes des conditions. Au cours des nombreuses années d'utilisation de ce type de convertisseur, on a mis au point un mode de conduite qui a subi de légères modifications au cours des quelques dernières années.
L'utilisation de ce convertisseur a toujours été affectée de certains inconvénients. Par exemple, les tuyères se bouchent rapidement et elles exigent donc un nettoyage à intervalles réguliers, qui s'effectue en les débouchant à l'aide d'une barre de métal que l'on enfile à force dans la tuyère. Un autre problème consiste en ce qu'il se produit une forte usure du réfractaire le long de la rangée de tuyères, au-dessus des tuyères dans le fond et dans les parois d'extrémités. Cette usure du réfractaire est excessive
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à un point tel que, normalement, un convertisseur ne travaille que trois mois sur quatre, l'autre mois étant occupé par la réparation du réfractaire. Ceci a pour résultat des coûts d'entretien élevés et la nécessité de prévoir un excédent de capacité de convertisseurs pour l'exploitation de la fonderie.
Un autre problème consiste dans l'accumulation d'incrustations dans la bouche du convertisseur, par suite de l'accumulation de particules entraînées dans les gaz de fumées et qui est fonction du débit d'air. Cette accumulation exige un nettoyage fréquent. Ces problèmes semblent avoir été acceptés comme inévitables dans la conversion des métaux non ferreux au moyen du convertisseur Pierce-Smith.
On a tenté d'améliorer la durée de vie du réfractaire dans le sens consistant à utiliser des réfractaires meilleurs, plus résistants à l'usure, ce qui a été exposé, par exemple, à la Conférence "The Copper Refractory Symposium", qui s'est tenue à New York en 1968. Au cours de cette conférence, on a décrit divers facteurs qui affectent défavorablement la durée du réfractaire et qu'il est nécessaire de maltriser, par exemple, les variations de température rapides et de grande amplitude, l'utilisation de mattes de basse qualité qui donnent de grands volumes de scories, un fondant fin ou extrêmement grossier, la pratique du débouchage et de l'addition de fondant, les faibles débits de soufflage, les procédés de nettoyage de la bouche du convertisseur et la modification des périodes normales de chauffage du convertisseur.
Face à l'état de la technique, les demandeurs ont maintenant constaté que le bouchage des tuyères et l'usure du réfractaire sont liés au comportement des jets de gaz à leur sortie de la tuyère. Aux pressions auxquelles l'air est normalement soufflé dans les convertisseurs pour métaux non ferreux, c'est-à-dire entre 0,86 et 1,1 bar, l'air sort
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de l'extrémité de la tuyère sous la forme de bulles dis-
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z tinctes à une fréquence de 10 bulles sor- tent de la tuyère plus ou moins verticalement, se divisent en bulles plus petites et frottent contre le réfractaire de la paroi arrière, cependant que des réactions exothermiques d'oxydation, favorisées par l'injection du gaz oxydant et qui résultent de l'oxydation du soufre et du fer se produisent à proximité immédiate de la paroi réfractaire.
En outre, la chaleur et l'action de pompage des bulles ascendantes se combinent pour déterminer une usure rapide sur la région de la paroi arrière et également sur les parois d'extrémité. L'usure du réfractaire de la paroi arrière est relativement uniforme dans la direction axiale au-dessus des tuyères, parce qu'il s'établit un considérable effet de recouvrement entre les bulles qui sortent des tuyères adjacentes. Le recouvrement est dû au faible écartement normal des tuyères, par exemple de 152 à 178 mm, qui est nécessaire pour obtenir un débit d'air suffisant.
Entre les formations de bulles successives à la sortie d'une tuyère donnée, le bain frotte contre la bouche de la tuyère et favorise la formation d'incrustations dues au refroidissement local et à la formation de magnétite. Les dépôts successifs d'incrustations bouchent rapidement la tuyère et il est nécessaire de procéder au débouchage. Etant donné que les incrustations se fixent au réfractaire, leur élimination brutale et forcée réalisée par le débouchoir a pour effet d'arracher des morceaux du réfractaire avec les incrustations. En outre, la formation répétée de bulles détermine une variation cyclique thermique rapide sur la ligne de tuyères, ce qui imprime une contrainte au réfractaire et accélère l'usure locale.
Les demandeurs ont mis au point un procédé qui élimine ces inconvénients, ainsi que cela ressortira de la description qui va suivre. Dans la position de chargement,
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on charge le convertisseur de matte de métal non ferreux fondu jusqu'au niveau du soufflage. On bascule le convertisseur jusqu'à ce que les tuyères soient submergées, la commande étant réglée de manière à introduire une quantité d'air suffisante pour maintenir les tuyères ouvertes.
Ensuite, on règle l'alimentation globale en air de manière à fournir une quantité d'air capable d'assurer une réaction de conversion autogène à des températures situées dans les limites de la capacité du convertisseur et à une pression ambiante normale, sans surchauffe, par plusieurs tuyères dont le nombre et la surface de section individuelle sont telles que l'air soit sous-détendu et pénètre dans le bain horizontalement, en jets continus distincts qui se prolongent sur une certaine distance en aval de l'extrémité de la tuyère avant de se désintégrer en bulles. Les demandeurs ont constaté qu'une pression d'injection préférée est d'environ 3, 6 à environ 10,8 bars en pression relative, l'injection s'effectuant avantageusement par 4 à 6 tuyères qui sont espacées de manière à éviter que les jets ne se réunissent.
Les tuyères peuvent être présentées sous la forme d'un groupe unique de 4 à 6 tuyères espacées de la paroi d'extrémité et espacées de la bouche du convertisseur. En variante, les tuyères peuvent être divisées en deux groupes de 2 à 3 tuyères, chaque groupe étant espacé d'une paroi d'extrémité et de la bouche de convertisseur.
Les tuyères ont avantageusement une surface de section d'environ 6,5 à environ 19,5 centimètres carrés et sont espacées d'une distance allant d'environ 30 à environ 60 cm.
La tuyère la plus proche de la paroi d'extrémité doit être espacée de celle-ci d'une distance non inférieure à environ 90 cm. L'espacement des tuyères de la bouche du convertisseur réduit la turbulence dans cette région et réduit la formation d'incrustations à la bouche du convertisseur.
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On peut donc voir que, selon l'invention, de l'air ou de l'air enrichi en oxygène est injecté à des pressions telles qu'on obtienne dans la tuyère des conditions de sous-détente, par opposition à l'utilisation d'un gaz à basse pression qui sort de la tuyère dans un état entièrement détendu, c'est-à-dire avec une pression à la bouche de la tuyère égale à la pression locale du bain. L'effet de l'accroissement de la pression destiné à créer des conditions de sous-détente consiste à élever la pression à la bouche de la tuyère à une valeur supérieure à la pression locale du bain, de manière que l'air sortant des tuyères se comporte comme un jet continu plutôt que comme un jet pulsatoire et de manière que les bullesne se forment pas régulièrement à l'extrémité de la tuyère mais, au contraire, à une certaine distance en aval de cette extrémité.
Le jet pénètre plus loin dans le bain et l'extrémité de la tuyère est continuellement entourée de gaz. Les pressions plus élevées ont pour effet que le jet est repoussé plus loin de la paroi du fond parce que l'énergie cinétique du gaz sortant des tuyères disposées horizontalement est fortement augmentée lorsqu'on fait croître la pression. En faisant pénétrer le jet de gaz plus loin dans le bain, l'injection sous haute pression réduit les problèmes d'érosion du réfractaire de la paroi du fond. La présence continue de jets de gaz à la bouche de la tuyère inhibe également la formation d'incrustations. En outre, les incrustations qui se forment sont arrachées par l'action du jet.
La fréquence du débouchage des tuyères est donc réduite ou ce débouchage peut même être entièrement élimine, et l'usure du réfractaire au droit de la rangée de tuyères est réduite.
A la lumière de la pratique normale du convertisseur Pierce-Smith, l'homme de l'art pourrait s'attendre à ce que la pression plus forte à laquelle l'air est introduit accroisse les projections et la formation d'incrustations
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à la bouche du convertisseur. Cet inconvénient peut être éliminé en limitant la pression à un maximum d'environ 10,8 bars et en éloignant les tuyères, qui sont en plus petit nombre, de la bouche du convertisseur, de manière que la matière éjectée par le soufflage retombe dans le bain avant d'atteindre la bouche.
Le technicien familiarisé avec la pratique du soufflage classique pourrait également s'attendre à ce que la concentration du gaz en un petit nombre de tuyères favorise l'usure locale du réfractaire par la production de températures plus élevées dans la région des tuyères et à ce que la remontée du liquide le long de la paroi de fond au-dessus des tuyères disposées horizontalement soit plus forte. Au contraire, les demandeurs ont constaté que, lorsque le jet continu pénètre plus loin dans le bain, à distance de la paroi de fond, la chaleur supplémentaire engendrée est dissipée dans la masse du bain et non pas au niveau de la paroi de fond.
Le technicien habitué à l'utilisation d'un grand nombre de tuyères travaillant à des pressions normales pourrait également s'attendre à ce qu'en injectant l'air par un plus petit nombre de tuyères et sous la forme de jets au lieu de le diviser en bulles, on obtienne une diminution de l'efficacité de l'oxygène, en raison de la diminution de l'étendue de l'interface entre le gaz et le liquide. Au contraire, pourvu qu'on assure l'immersion effective des jets dans le métal fondu, les jets à pression plus élevée se sont révélés très actifs et ils déterminent un bon contact gaz-liquide.
Les extrémités doivent se trouver à un niveau d'environ 45 à environ 90 cm au-dessous de la surface libre du métal fondu.
Le mode de travail selon l'invention dans le régime à jets sous-détendus, dans lequel on élève la pression dans l'intervalle allant d'environ 3,6 à environ 10,8 bars en pression relative ne doit pas être confondu avec le mode de
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travail dans le régime des jets détendus, qui comporte de faibles accroissements de pression au-dessus de la normale, par exemple jusqu'à environ 0,7 à 1,1 bar en pression relative tel qu'il est proposé par L. M. Shalygin et V. B. Meyerovich : Tsvet. Metal, 1960, volume 33, no 7. pages 16 à 19.
Pour atteindre les résultats décrits par les demandeurs, la pression doit être suffisamment élevée pour donner un régime de jets sous-détendus, dans lequel le jet est d'un genre différent de celui des jets créés à des pressions plus basses tout en maintenant le débit total de gaz oxydant dans l'intervalle exigé par l'opération métallurgique, ce qui est obtenu en réduisant le nombre des jets comparativement à celui normalement utilisé et en maintenant leur surface de section dans des limites appropriées. Ceci exige des pressions d'au moins environ 3,6 bars.
Le procédé selon l'invention ne doit pas non plus être confondu avec des solutions proposées dans le domaine des métaux non ferreux pour protéger les injecteurs des sévères effets de l'injection de l'oxygène pur en utilisant l'effet Joule-Thomson qui est créé à des pressions élevées, de 28, 7 bars ou plus. L'intervalle de pression adopté selon l'invention vise simplement à faire passer les conditions d'injection de l'état entièrement détendu à un état sousdétendu, tout en maintenant le débit total de gaz oxydant injecté dans les limites qui sont normales pour les opérations sur métaux non ferreux.
Après avoir donné une description générale de l'invention, on en donnera une explication plus détaillée en regard des dessins annexés qui doivent être considérés comme représentant des exemples illustratifs des modes préférés de mise en oeuvre de l'invention et sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un convertisseur Pierce-Smith équipé conformément à l'invention ;
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- la figure 2 est un schéma de l'intérieur du convertisseur, qui montre une disposition préférée de tuyères selon l'invention montées dans le réfractaire ; - la figure 3 est un schéma montrant une autre disposition des tuyères selon l'invention.
Comme on le voit en se reportant plus particulièrement aux dessins, le convertisseur Pierce-Smith représenté est composé d'une cuve cylindrique A munie de couronnes ou rails porteurs circulaires espacés 15 qui roulent sur des rouleaux 17 convenablement tourillonnés dans une infrastructure (non représentée). Une couronne dentée 19 adjacente à l'un des rails 15 est engrenée par un pignon 21 en-
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traîné par l'arbre 23, sous l'action d'une source de force motrice d'entraînement appropriée, de manière que la cuve A puisse être basculée par rotation autour de son axe entre une position de chargement et une position de soufflage.
La cuve A comprend une chambre cylindrique intérieure qui présente une paroi latérale 25 revêtue de réfractaire et des parois d'extrémités 27 revêtues de réfractaire. La paroi latérale 25 est munie d'une ouverture de chargement 29 entourée d'une jupe 31 et munie d'une hotte 33.
Un certain nombre de tuyères B pénètrent dans la chambre à travers sa paroi latérale 25 et sont alimentées en gaz oxydant par un collecteur 35 qui reçoit son alimentation en air comprimé ou autre gaz oxydant d'un tube d'entrée d'air 27 relié à une source appropriée d'un tel gaz.
Chaque tuyère B traverse l'enveloppe ou paroi latérale 25 en acier et le revêtement réfractaire 26 pour se terminer par une extrémité 24 à là surface du réfractaire 26. La tuyère B peut être munie d'un débouchoir de tuyère.
Selon l'invention, le nombre des tuyères est considérablement réduit comparativement au nombre utilisé dans la technique classique. Une disposition préférée est représentée sur la figure 2. Ici, on trouve deux groupes de
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2 à 3 tuyères chacun, qui sont espacés des parois d'extrémités 27 et de la bouche du convertisseur. Une autre dis-
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u position préférée est représentée sur la figure 3, où est prévu un groupe unique de 4 à 6 tuyères qui est espacé d'une paroi d'extrémité et situé d'un même côté de la bouche du convertisseur.
Les tuyères B peuvent être perpendiculaires à la paroi latérale, de manière à travailler dans une position de soufflage horizontale. En variante, on peut obtenir des effets spéciaux en inclinant les tuyères de manière que les jets continus soient injectés avec une inclinaison allant jusqu'à environ 150 sur la perpendiculaire à la paroi réfractaire de la cuve. Par exemple, une injection vers le bas peut accroître l'efficacité du gaz oxydant. L'injection inclinée dans le sens qui s'éloigne de la paroi d'extrémité éloigne de la paroi d'extrémité l'effet de chauffage du jet.
L'injection inclinée dans le sens qui s'éloigne de la bouche de la cuve réduit la turbulence dans cette zone et diminue donc l'importance des incrustations.
FACTEURS VARIABLES Convertisseurs
On a utilisé le convertisseur Pierce-Smith pour caractériser l'invention, bien que celle-ci puisse être appliquée à n'importe quel four à métaux non ferreux utilisant une injection latérale d'air ou d'air enrichi en oxygène par tuyères.
Un convertisseur typique possède des dimensions extérieures d'environ 3,96 à 4,57 m de diamètre, par 9,14 à 10,67 m de longueur et il comprend une enveloppe extérieure en acier de 25,4 mm d'épaisseur, une couche isolante de magnésite (MgO) de 2,54 à 3, 81 cm d'épaisseur, des briques réfractaires de 38 cm de chrome-magnésite (MgO-35 % Cr203) sauf que la même matière est plus épaisse, par exemple d'environ 46 cm dans la région des tuyères.
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Injecteurs
Les injecteurs ou tuyères, qui sont essentiellement les mêmes que ceux utilisés dans la pratique courante, sont en acier et présentent un alésage rectiligne. Un injecteur typique possède un diamètre intérieur de 3,81 à 5,08 cm de diamètre intérieur et il est d'une longueur supérieure à environ 46 cm de manière à traverser l'enveloppe d'acier, les briques isolantes et les briques de chrome-magnésite et à faire saillie sur une certaine distance à l'intérieur de la cuve. Les injecteurs sont horizontaux lorsque le convertisseur est en position de soufflage. Dans un convertisseur classique, il est habituellement prévu deux jeux d'injecteurs, de part et d'autre de la bouche avec, par exemple, 40 tuyères et deux jeux de 20 tuyères, avec un espacement d'environ 18 cm. Tous les injecteurs sont identiques.
Selon la présente invention, le nombre des tuyères actives est réduit, la gamme préférée étant de 4 à 6 tuyères, avec un espacement d'au moins environ 38 cm.
Chaque tuyère peut souffler le même débit d'air, plusieurs tuyères étant reliées à un collecteur commun. Il est de préférence prévu une commande séparée pour chaque tuyère, de manière à permettre de faire varier le débit sur la longueur du bain, pourvu que le débit soit maintenu dans l'intervalle spécifié. Les diamètres des tuyères respectives peuvent être modifiés, de même que leurs positions dans le convertisseur. Bien que l'invention ait été décrite et illustrée à propos d'un four équipé d'un plus petit nombre de tuyères que le nombre utilisé normalement dans la technique antérieure, le four peut être-équipé d'un plus grand nombre de tuyères réglables séparément de manière qu'on puisse en utiliser quelques-unes à un moment où les autres sont arrêtées.
Ceci présente l'avantage consistant en ce que, si l'usure du réfractaire finit par poser un problème dans la région d'une tuyère active ou d'un jeu de tuyères
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actives, on peut boucher extérieurement cette tuyère ou ce jeu de tuyères et activer un autre jeu. De cette façon, on peut prolonger considérablement la durée de vie du revêtement.
Selon l'invention, l'immersion des tuyères doit être au moins d'environ 46 cm.
Le schéma d'arrangement des tuyères doit maintenir les tuyères éloignées de la paroi d'extrémité, afin de réduire au minimum l'érosion du réfractaire et les maintenir éloignées de la bouche du four afin de réduire à un minimum les problèmes de projections et d'accumulation d'incrustations aux débits d'injection de gaz plus élevés que l'on utilise. Le réglage du débit passant par les tuyères est basé sur la pression intérieure des tuyères et/ou sur la température du bain. Si on l'estime nécessaire, on peut utiliser pour activer les débouchoirs de tuyères une commande à réaction utilisant une mesure de la pression.
Matières d'alimentation
Les matières traitées sont des mattes de métaux non ferreux, c'est-à-dire un mélange de sulfures de cuivre et de fer, ou de nickel et de fer. Le dénominateur commun est l'élimination du soufre sous la forme de dioxyde gazeux et du fer sous la forme d'une scorie liquide siliceuse, du type fayalite (FeO)x. SiO2, où 1 < x < 2 ; cette scorie contient également une quantité variable de Fe304. Pendant le cycle, la matte subit un changement de composition, au fur et à mesure que Fe et S sont oxydés et ensuite éliminés de la matte. Le domaine de pression du bain est atmosphérique.
Un métal ferreux qui peut être traité selon l'invention est une matte de cuivre qui contient habituellement de 20 à 60 % de cuivre (sous la forme de Cu ? s), 2 à 6 % d'oxygène (sous la forme d'oxydes de fer), le restant étant FeS et des impuretés en petite quantité. Un autre est une matte
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de nickel qui contient habituellement de 10 à 50 % de nickel
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(Ni3 une petite quantité de cuivre (sous la forme de CuS), 2 à 6 % d'oxygène (sous la forme d'oxydes de fer), le reste étant FeS et des impuretés en petite quantité.
Un fondant préféré est un fondant siliceux ne conte-
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nant pas moins de 80 % de Six pour améliorer le bilan thermique. Un fondant ne contenant que 65 % de Si02 est encore acceptable.
Gaz oxydant
Le gaz oxydant peut être de l'air ou de l'air enrichi en oxygène jusqu'à environ 40 %. L'enrichissement par l'oxygène peut être utilisé pour entretenir la nature autogène du processus et pour faire fondre la quantité de matières froides qui est chargée, c'est-à-dire pour ajuster le bilan thermique. Le gaz est injecté à une pression, capable de donner des conditions de sous-détente avec les tuyères, d'environ 3, 6 à environ 10,8 bars et une vitesse linéaire supérieure à environ 0,9 Mach. Le débit global est dans l'intervalle allant d'environ 710 à environ 850 Nm3/mn, pour des fours de la taille précitée. Le jet de gaz oxydant est dépourvu de chicanes et il est projeté dans la charge fluide sous la forme d'un jet sous-détendu et continu, par opposition à un jet pulsatoire.
L'expression"jet sousdétendu"peut être expliquée de façon plus détaillée comme suit. Lorsqu'un gaz est injecté à travers une tuyère à des pressions peu élevées, la pression décroît le long de la tuyère dans le sens de l'écoulement, jusqu'à ce qu'à l'extrémité, elle soit égale à la pression environnante (pression atmosphérique plus la pressiÏn due à la hauteur du bain). Le jet de gaz est donc entièrement détendu. Lorsqu'on augmente la pression de refoulement, le gaz accélère et la chute de pression le long de la tuyère devient plus forte. Toutefois, il y a une limite à la vitesse que le gaz peut atteindre dans une tuyère à alésage rectiligne, c'est
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la vitesse du son (Mach 1).
A une contre-pression suffisamment élevée, le gaz atteint donc une vitesse finale (habituellement inférieure à Mach 1 en raison des effets de frottement dans la tuyère). Dans ces conditions, la pression à l'intérieur de la tuyère ne peut pas être diminuée par une plus forte accélération du gaz et la pression à l'extrémité est supérieure à la pression ambiante. De cette façon, le gaz n'est pas entièrement détendu (il est sous-détendu) par rapport à la pression environnante. L'excès de pression est libéré à l'extérieur de la tuyère par une détende multidirectionnelle du gaz.
Conditions
Les conditions régnant dans le four pendant le soufflage dans les fours du type et de la taille cités à titre d'exemple sont les suivantes. Selon l'invention, l'intervalle de température dans lequel les convertisseurs travaillent est d'environ 10000C à environ 1300oC. Le temps de soufflage est de 6 à 20 heures, selon le grade de la matte. La charge peut varier entre environ 100 et environ 200 tonnes métriques de matte selon la qualité de la matte, avec 20 à 60 tonnes métriques de fondant, quantité qui dépend à nouveau de la qualité de la matte. A ce débit d'alimentation, l'oxygène nécessaire pour l'oxydation est de 113, 3 à 226,6 Nnr/mn d'oxygène dans le gaz oxydant.
La production varie entre environ 70 et environ 120 tonnes métriques de cuivre par cycle et 30 à 80 tonnes métriques de scories par cycle. La fréquence de débouchage est d'une fois toutes les 15 à 60 secondes dans le procédé classique.
Dans le procédé selon l'invention ; 1. débouchage n'est habituellement pas nécessaire avant la fin du soufflage.
Normalement, on n'aura pas à effectuer de débouchage pendant la majeure partie du cycle du convertisseur. Toutefois, les débouchoirs normaux sont avantageusement inclus dans l'appareil parce qu'on peut en avoir besoin, en parti-
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culier pour le cuivre, vers la fin du cycle, lorsque le débit de gaz et par conséquent la température diminuent.
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Sous l'effet de l'injection à haute pression selon l'invention, le débit total de gaz peut être augmenté jusqu'à environ 850 Nm3/mn, auquel cas la réduction de la durée du cycle sera grossièrement proportionnelle à l'ac- croissement du débit.
Lorsque le four est basculé de la position de chargement à la position de soufflage, jusqu'à ce qu'on ait atteint la profondeur d'immersion désirée, il est souhaitable de maintenir la pression dans les tuyères à une valeur d'environ 0,7 à environ 1,4 bar, la valeur d'environ 1,1 nar étant préférée. Ensuite, la pression peut être portée au niveau désiré.
Le mode de mise en oeuvre selon l'invention sera expliqué avec plus de détails à propos des exemples suivants de modes opératoires préférés.
Il convient de tenir compte du fait qu'un important facteur de détermination de la durée d'un cycle réside dans la qualité de la matière de départ. Les qualités varient d'environ 20 à environ 60 % de Cu (dans le cas du cuivre).
Ceci affecte également le fonctionnement du convertisseur.
On décrira donc le cycle de travail pour les deux cas.
On obtient des mattes de qualité supérieure lorsque les concentrés sont riches en cuivre, en raison d'une forte teneur en chalcocite (Cu ? S) et/ou lorsqu'on utilise des procédés de fusion éclair pour faire fondre les concentrés solides. Dans ce cas, il est habituel d'obtenir une matte ayant, par exemple, une teneur en-Cu de 55 %. Etant donné qu'une plus forte teneur en Cu implique une plus faible teneur en Fe dans la matte, les quantités de scories produites seront plus petites et le volume du convertisseur sera occupé dans une plus large mesure par le métal de valeur, c'est-à-dire Cu ? S (obtenu dans la première étape d'un
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cycle de conversion du cuivre).
Dans un tel cas, on ajoutera de la matte fraîche ou matte de départ un plus petit nombre de fois (deux fois pour une matte à 55 % de Cu) et la durée du cycle sera plus courte, puisqu'il y a moins de FeS à oxyder dans la première étape de la conversion.
EXEMPLE 1
On a utilisé un convertisseur Pierce-Smith de 10,67 m de longueur par 3,96 m de diamètre, en utilisant six tuyères d'environ 1,27 cm de diamètre intérieur. La matière d'alimentation était de la matte de cuivre (55 % de Cu).
Le fondant contenait 85 % de Sirop. Le gaz oxydant était l'air.
La suite décrit un cycle de traitement.
Première étape :
1. Le convertisseur est chaud, venant juste d'être vidé.
2. On ajoute 80 à 100 tonnes de matte par la bouche, en utilisant des poches mues par des grues. 4 à 5 poches pleines ont éteécessaires pour charger le convertisseur. La matte était à une température de 1100 à 11500C.
3. Le convertisseur étant en position de chargement (les tuyères n'étant pas immergées dans le bain), on souffle de l'air par les tuyères à une pression peu élevée, non supérieure à 1,1 bar.
4. On bascule le convertisseur jusqu'à ce qu'il atteigne la position de soufflage dans laquelle les tuyères sont immergées à 45, 7 cm dans la matte fondue.
5. La pression de soufflage est portée à 8,6 bars immédiatement après que le convertisseur ait atteint la position de soufflage.
6. Le flux d'air est maintenu à un débit d'environ 710 m3/mn pendant environ 45 mn. A ce stade, la température du convertisseur est d'environ 1200oC, selon la température de départ de la matte.
7. On ramène la pression de soufflage à 1, 1 bar, on
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bascule le convertisseur jusqu'à la position de chargement et on arrête l'injection d'air.
8. On ajoute 15 à 20 tonnes de fondant siliceux par la bouche du convertisseur.
9. On fait redémarrer le soufflage, en suivant les mêmes phases que celles décrites aux phases 3, 4 et 5 ci-dessus.
10. Après 20 à 30 mn de soufflage, on interrompt l'air, conformément à la phase 7.
11. A ce stade, la température du convertisseur est entre 1220 et 1240oC. La qualité de la matte serait entre 72 et 75 % de Cu. On aura produit environ 35 tonnes de scories.
12. On écume environ 30 tonnes de scories (deux poches).
13. Si la température du convertisseur à la phase 11 est supérieure à environ 1230oC, on charge 10 tonnes de charge froide (matière de recyclage solide) dans le convertisseur.
14. On ajoute au convertisseur 40 à 60 tonnes de matte fralche (ô 55 % de Cu) (2 à 3 poches).
15. On ajoute habituellement à ce stade environ 10 à 20 tonnes de fondant.
16. On fait démarrer le soufflage, conformément aux phases 2, 4 et 5.
17. On répète la phase 6.
18. Les phases 8 et 9 peuvent être ou ne pas être nécessaires, selon que la phase 15 a été exécutée ou non.
19. Après 60 à 80 minutes de soufflage (à partir de la phase 16), on arrête l'air conformément à la phase 7.
20. A ce stade, la température du convertisseur sera d'environ 12200C à environ 1240oC. La qualité de la matte est de 78 à 80 % (la majeure partie du FeS, sinon la totalité, a été oxydée et on a produit environ 30 tonnes de scorie) et cette scorie est écumée dans des poches.
21. Fin de l'étape 1 ; produit laissé dans le réacteur : 80 à 110 tonnes de CuS.
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Deuxième étape
La matière de départ brute est essentiellement du CuS. Le même FeS et/ou le même fondant peuvent être présents.
22. Si la température à la fin de l'étape 1 a été trop élevée (supérieure à 1240oC) et/ou si l'on dispose de cuivre relativement pur (80 % de cuivre ou plus), ajouter environ 10 tonnes de matières recyclées froides au réacteur.
23. On commence le soufflage conformément aux phases 3, 4 et 5 de la première étape.
24. On maintient le débit d'air à environ 710 Nm3/mn à une pression de 8,6 bars. Habituellement, on ne procède à aucune interruption dans la deuxième étape. La température s'élèvera lentement d'environ 11800C à environ 1220oC. Le temps de soufflage variera selon la quantité de Cu ? S présente au début de l'étape 2 mais on s'attend à ce qu'il soit de 3 à 4 heures (temps de soufflage total pour le cycle : environ 5 à 8 heures).
Remarque : ceci est le temps de soufflage. Le temps total pour le cycle, y compris le chargement, l'attente des grues, etc., est plus long de 1 à 2 heures.
25. Lorsque le bain atteint 97 à 98 % de Cu (un conducteur de four expérimenté peut indiquer l'instant précis), on réduit la pression à pas plus de 1,08 bar.
26. Au bout d'environ 5 minutes, on bascule le convertisseur jusqu'à la position de chargement et on arrête le gaz. On peut ajouter une certaine quantité de fondant pour tenir compte de l'oxyde de fer qui peut être éventuellement présent.
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27. Le produit final est composé de 60 à 90 tonnes de cuivre soufflé (98, 5 à 99, % de Cu).
Matte de qualité inférieure
On obtient des mattes de qualité inférieure lorsque
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les concentrés sont riches en chalcopyrite et sont fondus dans un four à réverbère. Dans ce cas, il est habituel d'obtenir une matte ayant, par exemple, une teneur en Cu de 30 %. Ceci signifie de plus grandes quantités de FeS dans la matte, un plus grand volume de scorie à produire et de plus petites quantités de Cu (sous la forme de CuS) dans le réacteur.
Pour surmonter ce problème, on ajoute plusieurs fois de la matte fraîche dans le convertisseur pendant la première étape de soufflage (par exemple cinq fois pour une matte à 30 % de Cu) et les quantités de fondant chargées et de scories produites varient dans des proportions correspondantes. Toutefois, le convertisseur est conduit conformément au même principe : températures non supérieures à 12500C et bonne estimation de la qualité de la matte pendant le soufflage.
EXEMPLE 2
Dans ce cas, on traite une matte d'une qualité comportant 30 % de Cu dans un convertisseur analogue à celui de l'exemple 1 en utilisant le même fondant et de l'air comme gaz oxydant.
Le cycle était le suivant :
Les phases 1,2, 3 et 4 étaient les mêmes qu'à l'exemple 1.
Pour les phases 5 et 6, étant donné que le temps de soufflage est plus long, la température du convertisseur devient supérieure à 1250oC. On l'évite en réduisant la pression de soufflage à environ 5,7 bars, à travers 6 tuyères et en abaissant le débit total à pas plus de 566 Nm"/mn.
En variante, la pression de soufflage peut être de 8,6 bars mais en utilisant 4 tuyères et, à nouveau, en abaissant le débit total à pas plus de 566 Nnr/mn.
Un autre moyen permettant d'éviter des températures élevées consiste à utiliser une pression de soufflage de
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8,6 bars, une injection totale d'air de 708 Nu 3/mu et 6 tuyères, et en ajoutant de plus grandes quantités de matières recyclées froides. Ceci peut être indésirable, parce que les interruptions du soufflage sont alors plus fréquentes qu'il ne serait nécessaire. Ceci peut également être impossible si l'on ne dispose pas de matières froides en quantités suffisamment grandes.
Ces exceptions mises à part, le procédé continue à se dérouler comme à l'exemple 1 mais le temps de soufflage est plus long (par exemple environ 60 minutes).
7. Comme à l'exemple 1.
8. Il faut 30 tonnes de fondant.
9. Comme à l'exemple 1.
10. Temps de soufflage 30 à 45 minutes.
11. Comme à l'exemple 1, sauf que la qualité de la matte est de 45 % de Cu.
12. On produit 60 tonnes de scorie.
13. Ajouter 10 à 20 tonnes de charge froide.
14.60 tonnes de matte fralche (30 % de Cu).
15.30 tonnes de fondant.
16. Comme à l'exemple 1.
17. Comme à la phase 6 pour la matte de qualité inférieure comme décrit plus haut.
18. Comme à l'exemple 1.
19.60 minutes, la matte est à 55 à 60 % de Cu.
20. répéter comme à la phase 12 ci-dessus jusqu'à la phase 19 mais avec les changements suivants :
12. Environ 40 tonnes de scorie.
13. Environ 10 tonnes de charge froide.
14. Environ 40 tonnes de matte.
15.20 tonnes de fondant.
16 et 17. Comme à l'exemple 1.
19.60 minutes, la matte est à environ 70 % de Cu.
20. Répéter les phases 12 à 17 mais avec les modifications suivantes :
12.30 tonnes de scorie.
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13.10 tonnes de scorie recyclée froide (peut ne pas être nécessaire).
14.20 tonnes de matte fraîche.
15.10 tonnes de fondant (par ailleurs, les phases 16 à 21 sont identiques à celles de l'exemple 1 jusqu'à la fin de la première étape). La deuxième étape sera la même qu'à l'exemple 1.
Les indications suivantes concernent les variables qui affectent l'opération.
L'utilisation d'air enrichi en oxygène améliore le bilan thermique et abrège la durée du cycle. Elle sera utile lorsque : a) la qualité de la matte est supérieure à 50 % et que, par conséquent, la plus faible teneur de la matte fraîche en FeS ne permet pas un grand dégagement de chaleur (matte froide) dans la première étape ; b) bien qu'on dispose de mattes de qualité inférieure, on doit fondre de grandes quantités de matières froides (charge recyclée) ou même des concentrés ; c) pendant la deuxième étape, en particulier si un plus fort débit par tuyère, résultant de pressions plus fortes, détermine une certaine solidification de la masse fondue dans la zone des tuyères.
L'utilisation d'un plus grand débit de gaz (850
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Nnr/mn ou plus) donne un effet analogue à celui d'un accroissement de la concentration de Op, améliore la production de chaleur. Toutefois, en outre, elle peut avoir pour effet que des quantités excessives de matières du bain sont entraînées par les gaz de fumée. Ceci raccourcit également la durée du cycle. Cette utilisation sera avantageuse lorsque : a) les tuyères sont placées à proximité d'une extrémité du réacteur et la bouche est placée à proximité de l'autre extrémité ;
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b) on a besoin d'un plus grand dégagement de chaleur, comme on l'a spécifié plus haut à propos de l'utilisation d'air enrichi en oxygène ; c) on ne charge pas dans le réacteur de matières fines (telles que des concentrés).
On a fait référence à la première étape d'un cycle de conversion du cuivre. Jusque là, Cu peut être remplacé par le Ni, en tenant compte du fait que le cuivre est présent sous la forme de Cu2S et le nickel sous la forme de
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Ni S e Ni3S2. Le mode opératoire est essentiellement le même dans les deux cas.
Toutefois, lorsque tout le fer a été éliminé sous la forme de scorie, le procédé à appliquer pour obtenir l'un ou l'autre des métaux est différent. Dans le cas du cuivre, on oxyde Cu2S en continuant à souffler de l'air (ou de l'air enrichi en oxygène) pour obtenir Cu. Toutefois, on ne peut pas procéder de cette façon dans le cas du nickel puisque ceci provoquerait l'oxydation de Ni en oxydes de Ni (cette oxydation peut être évitée à des températures plus élevées mais ce mode opératoire n'est pas applicable dans la présente invention parce qu'il exige un réacteur différent). En conséquence, dans le cas du nickel, le produit final, selon l'invention, sera Ni3S2 (sulfure de nickel) qui est converti ultérieurement en Ni par une technique entièrement différente.
Dans le cas du cuivre, la production du sulfure de cuivre pur, Cu ? S, représente la fin de la première étape de conversion, la deuxième étape étant l'obtention de Cu.