Procédé de fabrication continue de chlorure chromique par chloruration en présence d'un réducteur de minerais oxydés de chrome à l'état finement divisé, qui contiennent conjointement d'autres métaux dont le fer, le calcium et le magnésium. Cette invention est relative à un procédé de fabrication continue de chlorure chromique par chloruration en présence d'un réducteur de minerais oxydés de chrome à l'état fine ment divisé, qui contiennent conjointement d'autres métaux dont le fer, le calcium et le magnésium,
caractérisé par le fait que le mi nerai à l'état finement divisé est appliqué sous forme d'un mince revêtement pelliculaire sur de plus grosses particules mobiles qui sont elles-mêmes chimiquement inertes et qui, ainsi revêtues, sont déplacées à travers une zone de réaction dans laquelle ces particules et l'agent de chloruration, gazeux, se meu vent en contre-courant, le rapport entre les quantités de minerai et d'agent de chlorura- tion introduits dans ladite zone étant tel que pour tout instant,
la quantité d'agent de chlo- ruration soit supérieure à celle qui est néces saire pour que toutes les matières chlorura- bles soient converties en leurs chlorures, la réaction étant effectuée à des températures auxquelles le chlorure chromique se sépare du minerai par volatilisation.
Cette invention rend possible d'effectuer la chloruration satisfaisante de minerais de chromite, spécialement de ceux dont la qualité est inférieure à celle actuellement acceptable pour la production de ferro-alliages, dans un four fonctionnant d'une façon continue, cette chloruration étant accompagnée d'une subli mation de tous (ou pratiquement tous) les éléments donnant naissance à des chlorures volatils, du chrome en particulier.
Il est depuis longtemps connu qu'on accélère les allures ou taux de la réaction chi mique entre des solides et des gaz lorsqu'on augmente le degré de finesse de subdivision du solide, mais, jusqu'à ce jour, il n'avait pas été possible de réaliser des procédés de ce genre directement dans des fours à cuve, parce que la présence de quantités apprécia- bles de matière fine dans les appareils de ce genre tend à faire obstacle au passage des gaz à travers la charge et rend nécessaire l'application de pressions si élevées, ainsi que de vitesses relatives si élevées entre le gaz et le solide qu'on éprouve des difficultés dues aux poussières.
Il avait jusqu'ici été néces saire, ou bien d'avoir recours à la concrétion des minerais fins, comme on le fait souvent avec des minerais tels que les minerais de fer, de plomb et de zinc, ou bien de s'efforcer d'assurer un contact satisfaisant en déversant sous forme d'une pluie les minerais finement broyés à travers une colonne montante de gaz. Le premier de ces moyens donne une charge perméable, mais là concrétion tend à provo quer le grossissement des particules ou même, dans des cas extrêmes, la formation de parti cules partiellement fondues, et empêche ainsi de tirer parti de l'action accélératrice de la finesse de subdivision pour des buts chimi ques ou métallurgiques. L'application du second moyen donne lieu à un grand nombre de difficultés d'ordre pratique.
En première ligne, le problème des poussières devient extrêmement sérieux. De plus, lorsqu'il s'agit de réaliser des réactions qui impliquent des températures relativement élevées et des temps de réaction appréciables, le transfert de chaleur nécessaire, le cas échéant, pour satisfaire à des conditions endothermiques possibles dans la réaction devient difficile et souvent irréalisable dans la pratique. Finale ment, des temps de contact appréciables ne peuvent être assurés qu'en construisant des appareils exagérément hauts ou en triant soi gneusement le minerai introduit de façon qu'il puisse être exactement maintenu en sus pension sur le courant de gaz.
La. demanderesse, ayant tenté d'appliquer des procédés connus du technicien et décrits par des brevets tels que, par exemple, les brevets d'Adrian (voir le brevet délivré aux Etats-Unis sous le no<B>1</B>434 -185 du 7 novem bre 1922) à une cornue verticale qu'on faisait travailler continuellement, a constaté qu'il n'est pas possible d'engendrer et volatiliser les chlorures avec succès en observant les conditions connues des chercheurs antérieurs et spécifiés aussi bien dans les susdits brevets que dans d'autres utilisant la réaction bien connue du chlore avec des minerais d'oxydes et des agents réducteurs.
Après une étude ap profondie des conditions de volatilité des chlorures de chrome, la demanderesse a dé couvert comment le but visé de la sublima tion des constituants volatils pendant la chlo- ruration peut être réalisé dans une cornue à contre-courant travaillant d'une façon conti nue.
Le présent procédé permet d'utiliser des fours à cuve du type habituel tout en conser vant les avantages d'une grande subdivision, en évitant en même temps les difficultés dues aux poussières et en maintenant néanmoins des vitesses relatives élevées entre le gaz et le solide à traiter. Il présente en outre d'autres avantages en ce qu'il permet une marche con tinue du type à contre-courant même lorsque certains constituants du minerai, ou ses impu retés, sont temporairement ou nécessairement convertis en la forme liquide.
Comme agent de chloruration, on peut em ployer non seulement le chlore, mais aussi des substances gazeuses à la température de réac tion, propres à livrer du chlore.
La description qui suit se rapporte plus particulièrement à l'emploi du chlore libre. La demanderesse a découvert que pour réaliser de façon avantageuse le procédé selon l'invention, il est désirable de régir les con ditions chimiques définies par une série de rapports mutuels chimiques compliqués exis tant entre les divers chlorures de chrome et, en même temps, de régir les conditions phy siques dans lesquelles la chloruration s'efÏe- tue.
Dans les premières tentatives faites en vue d'appliquer les conditions d'Adrian, comme elles sont indiquées sur page 1, ligne 40, jusqu'à page 2, ligne 30 du brevet amé ricain no<B>1</B>434 485, dans un four continu, du type cornue, on a utilisé un minerai de chromite d'un type commun à. des dépôts qu'on trouve aux Etats-Unis et qui donnait à l'analyse les résultats suivants:
EMI0003.0001
Crz03 <SEP> 51,6
<tb> FeO <SEP> 19,6
<tb> SiO2 <SEP> 5,5
<tb> A103 <SEP> 11,8
<tb> Mgo <SEP> <B>11,5%</B>
<tb> Ca0 <SEP> <U>0,8</U>
<tb> 100,8 Lorsqu'on cherche à chlorurer avec du chlore libre et sublimer un minerai de ce genre dans un four à contre-courant continu, on constate qu'aucun fonctionnement continu n'est possible avec une charge en briquettes ou simplement finement broyée parce qu'il se forme certains chlorures liquides qui ne sont pas volatils, spécialement CrC12, MgCl2 et CaCl2, en même temps que du CrCl' solide.
La demanderesse a découvert qu'on peut évi ter la formation de CrCh si l'on satisfait à certaines conditions chimiques, spécialement si l'on assure la présence d'un excès d'au moins 5,5 % de chlore libre dans le gaz d'échappement et l'élimination de ces gaz à des températures d'au moins<B>890'.</B> Elle a en outre trouvé que le taux de réaction pri maire de la chloruration est alors si élevé, aux températures supérieures à<B>900',
</B> qu'il serait physiquement impossible d'effectuer l'application des quantités requises de chlore et l'élimination des produits lorsqu'on intro duit dans le four une charge en briquettes ou du minerai finement broyé à l'état normal du tassement dû à la gravité étant donné que les débits de gaz nécessaires seraient alors si grands que des pressions exagérées seraient créées dans la colonne et que la charge serait expulsée avec force hors du four.
Lorsque la demanderesse a utilisé des minerais de qua lité inférieure à celui spécifié, auquel cas les besoins en chlore étaient moindres, elle a éprouvé d'autres difficultés encore, en ce sens que le chlorure de magnésium qui fond à 712 et bout à 1412 , se forme à l'état liquide, ce qui non seulement lie entre elles les particules de minerai fin, mais les recou vre aussi d'une pellicule de chlorure de ma gnésium liquide. Dans le cas d'une charge en briquettes, ce chlorure de magnésium pénètre dans la briquette par capillarité. Cette accu mulation de chlorure de magnésium arrête presque complètement l'action de chlorura- tion, et il en résulte de très faibles extrac tions.
La demanderesse a découvert que le chlore est incapable de pénétrer dans des cou ches épaisses ou dans des amas de chlorure de magnésium liquide et que, lorsque cet état peut exister, aucune chloruration n'est pra tiquement possible.
La demanderesse a découvert qu'on peut surmonter toutes ces difficultés et assurer un contact facile et efficace entre des minerais fins et des gaz réactifs dans des fours à cuve à contre-courant continus en disposant le mi nerai finement broyé, ou des mélanges de ce minerai avec des réactifs, sous forme d'une mince couche ou pellicule. Ceci s'obtient en déposant le minerai sur la surface de parti cules porteuses inertes, une charge perméable étant maintenue sous forme d'une pellicule ou revêtement semi-permanent d'épaisseur nette ment réglée ou limitée.
Sur les dessins annexés La fig. 1 montre des relations qui, ainsi que l'a découvert la demanderesse, existent entre la grosseur de particule moyenne, expri mée en millimètres, et l'extraction en %, dans le cas d'un minerai de chromite.
La fig. 2 montre des relations entre le temps nécessaire pour une réaction complète et l'épaisseur de la couche de minerai.
La fig. 3 est une vue schématique, avec coupe verticale partielle, d'un appareil qui a été utilisé avec succès par la demanderesse.
La fig. 4 est un diagramme montrant la température en différents points de la hau teur de la cornue.
La fig. 5 est un diagramme montrant des relations entre la température et la teneur en chlore du gaz d'échappement pour deux mine rais différents.
La fig. 6 est un diagramme montrant la relation entre le tétrachlorure de chrome et le chlorure de chrome volatil avec un excès de chlore.
Dans l'élaboration du présent procédé, la demanderesse a étudié l'effet de la grosseur des particules du minerai sur l'extraction par chloruration et sublimation du minerai de chromite susmentionné et obtenu les résultats représentés sur la fi-. 1. La grandeur moyenne, portée en ordonnée, est la moyenne arithmétique des diamètres maxima - mesu rés en millimètres - des particules retenues lors du triage entre deux tamis de: différents nombres de mailles.
Par exemple, une matière désignée comme ayant une grosseur moyenne de 1,24 mm est celle qui passe à travers un tamis no 10 (4 mailles par cm linéaire) mais est retenue par un tamis no 20 (8 mailles par cm linéaire), alors qu'une matière qui tra verse un tamis no 200 (80 mailles par cm linéaire) est considérée comme ayant une grosseur moyenne de 0,05 mm. On a porté en abscisses le pourcentage de la portion chlo- rurable du minerai envisagé qui a été extraite par l'action du chlore.
La courbe de la fig. 1 montre que, pour obtenir des extractions supérieures à<B>90%</B>, il est nécessaire d'utiliser des particules plus petites que 0,15 mm environ. On n'a pas spé cifié le temps nécessaire pour réaliser ces extractions, étant donné que, en commençant avec une quantité donnée de minerai, le temps est déterminé par la quantité de chlore qui doit être introduite par unité de temps pour être juste suffisante pour satisfaire aux con ditions stoechiométriques et à l'excès spécifié.
Le fait que cette quantité de chlore est four nie rapidement ou lentement ne modifie que faiblement la pente de la ligne de la fig. 1 et n'influe pas sur cette découverte de la de manderesse qu'on ne peut obtenir une extrac tion élevée que si tout le minerai est broyé pour passer au moins à travers un tamis 110 100 et, de préférence, assez finement pour passer à travers un tamis no 200. Ceci peut paraître un résultat surprenant en comparai son avec divers produits connus obtenus dans cette industrie, mais on peut l'expliquer par le fait que l'action de chloruration est contre carrée par l'accumulation de chlorures non vaporisés, spécialement du magnésium.
Ainsi, dans le cas de grosses particules, lorsqu'il s'est effectué un certain degré de réaction, l'accumulation des chlorures non volatils dans les conduits capillaires du minerai et à la surface arrête la chloruration, alors que, dans le cas de particules plus fines, avec un plus grand rapport entre la surface et la masse, il s'effectue un plus grand degré de chlorura- tion avant que la quantité proportionnée de chlorures non volatils provoque la cessation de l'action, d'où résulte une extraction plus élevée.
Ayant découvert que des extractions éle vées ne peuvent être obtenues que si les mi nerais ont été finement broyés, la demande resse a aussi découvert que si l'on dispose du minerai finement broyé à la surface de particules porteuses granulaires grossières, de telle sorte qu'une pellicule de minerai se trouve exposée à l'action directe des gaz, on peut obtenir une chloruration et une sublima tion complètes en un temps qui est virtuelle ment une fonction linéaire de l'épaisseur de la pellicule, comme représenté sur la fig. 2, sur laquelle on a porté en abscisses l'épais seur en millimètres de la couche du minerai revêtant la surface de la particule de support, et,
en ordonnées, le temps en minutes néces saire pour la chloruration complète du mine rai, et l'on a ainsi obtenu un pfocédé de ré glage pratiquement réalisable de la chloru- ration et de la sublimation.
Les conduits capillaires à la surface (les gros grains constituant les particules por teuses retirent les chlorures non volatils fon dus de la surface des particules de minerai due contient la pellicule, en rendant ainsi pos sibles une chloruration et une sublimation sensiblement complètes des constituants vola tils. Le temps nécessaire pour terminer la réaction est alors une fonction directe de l'épaisseur de la pellicule.
Pour étudier la chloruration, on a mélangé intimement le minerai susmentionné, après l'avoir broyé pour qu'il passe à travers un tamis nc 100, avec 12,25% de son poids de carbone fin (noir de carbone) et une faible quantité de matière goudronneuse destinée à servir de liant, et on a comprimé le rri@Iange sous forme de -grains. On a essayé de faire passer ces grains d'une façon continue à tra vers une cornue verticale chauffée jusqu'à 1100 et d'effectuer un contact entre ces grains et du chlore à diverses températures. Un fonctionnement continu de la cornue n'a pas été possible.
Une réaction naissante a commencé au voisinage de 600 et un peu de chlorure ferrique a été distillé. Vers 800 . la réaction a été énergique, le gaz sortant de la cornue étant principalement composé de C02; une certaine quantité de chlorure de fer et un peu de chlorure chromique ont été engendrés mais, très peu de temps après l'in troduction du courant de chlore, il est devenu impossible de maintenir la charge en mouve ment, et la contre-pression régnant dans le tuyau d'amenée de chlore est devenue exces sive. Ayant ouvert la cornue, on a constaté que la colonne entière était obstruée par une masse de cristaux de chlorure chromique de texture serrée.
Il devient évident que la tem pérature avait été insuffisante pour volati liser le chlorure chromique. On a alors remis la cornue en état et élevé la température à. 900-l000 . Il s'est produit une réaction pri maire très énergique, mais la colonne a été obstruée dans un temps encore plus court que précédemment. En ouvrant la cornue, on a constaté qu'elle était complètement obstruée par une masse de chlorure chromeux. Aucun chlorure chromique n'avait virtuellement été distillé. Il est évident qu'on n'avait pas résolu la difficulté en élevant simplement la tempé rature pour augmenter la volatilité du chlo rure de chrome.
Une étude poussée, faite en laboratoire, des conditions de volatilité des chlorures de chrome a révélé les fait suivants: 111 On a constaté que le chlorure chro- meux (CrCl@) possède un point de fusion de 815 , température à laquelle la pression de vapeur est 0,0007 atm. Les pressions de va peur à 900, 1000 et<B>1100'</B> sont respective ment<I>0,004,</I> 0,024 et 0,103 atm, et le point normal d'ébullition normal 1302 . Aux tem pératures où le chlore commence à réagir faci lement avec des mélanges de carbone et de chromite, il existe une pression de vapeur fai ble, mais bien déterminée.
20 On a trouvé qu'il est impossible de dé terminer directement la pression de vapeur du chlorure chromique (CrCl3) parce que cette matière a une pression de dissociation appré ciable à une température aussi basse que 700 , avec le chlorure chromeux et le chlore comme produits primaires. Par des méthodes indirectes, il a été possible de déterminer les pressions de vapeur "thermodynamiques" du chlorure chromique, comme suit: à 600 , 0,00007, à 700<B>0</B>, 0,002, à 800 , 0,039 et à 900 , 0,396 atm. La température de subli mation normale est de 947 .
On a déterminé la "pression de vapeur thermodynamique" de CrCl' en mesurant la volatilité réelle à une température donnée et en corrigeant la valeur obtenue pour tenir compte des réactions secondaires qu'il n'est pas possible d'empêcher à ces températures et dont il sera question dans les alinéas 3 et 4 donnés ci-après.
30 On a trouvé que la volatilité du chlo rure chromique dans une atmosphère de chlore est beaucoup plus grande que dans une atmosphère inerte telle que l'azote. Il a été démontré que ceci est dû à la formation d'un nouveau chlorure de chrome, qui n'avait pas encore été décrit dans la littérature tech nique, savoir le tétrachlorure de chrome (CrCl'). Cette matière n'existe que comme gaz aux températures élevées et, par refroi dissement, se convertit de nouveau en trichlo- rure de chrome et en chlore.
On a trouvé que la constante d'équilibre se rapportant à la réaction
EMI0005.0027
2 <SEP> Crel3 <SEP> -f- <SEP> Cl\ <SEP> > <SEP> 2 <SEP> Crcl4 est: 0,001185 à 600 , 0,02922 à 700 et 0,364 à 800 . Ainsi, lorsque la pression totale est 1 atm, la pression partielle du tétrachlorure de chrome dans une atmosphère de chlore est respectivement 0,033, 0,157 et 0,448 a.tm à ces températures.
40 On a déterminé que les pressions par tielles du chlore qui empêcheraient la disso ciation primaire du chlorure chromique, dans un système contenant CrCl' condensé, sont les suivantes: 0,00000? à<B>7</B>00 , 0,00008 à 800 , 0,003 à 900 et 0,043 à<B>1000'.</B>
Sur la base de ces recherches et décou vertes, la demanderesse a établi une façon de mettre en pratique le procédé selon l'inven tion qui donne des résultats satisfaisants et est basée sur le maintien des conditions sui vantes a) La disposition du mélange de chromite et de carbone dans une cornue verticale à contre-courant est maintenue à un état phy sique qui permet de maintenir en tout temps un excès de chlore déterminé et réglé. D'une façon succinte, on envisage, entre autres, de disposer le minerai finement divisé sous forme d'une couche mince ou pellicule n'excédant pas, d'ordinaire, 3 mm d'épaisseur.
Il est facile d'obtenir une couche de ce genre en enrobant des particules porteuses de grande masse du minerai fin, ce qui s'obtient en ap pliquant sur les particules, par un mouve ment culbutant, roulant ou autrement, une couche du minerai, comme il sera décrit ci- après avec plus de détail.
On remarquera que du chlore virtuelle ment pur est admis à la cornue mais que, au cours de la réaction, le chlore est absorbé et de l'anhydride carbonique prend naissance suivant les réactions bien connues: 2 Cr@03 '-. 3 C + 6 Cl= - 4 CrCl' -j- 3<B>CO\</B> ou 2 FeO -I- C -f- 3 C12 - 2) FeCf' -I- C02 avec des réactions analogues pour l'alumine et la magnésie.
Le taux de ces réactions dé pend des conditions physiques et de la tem pérature de contact et il est préférable de ré gler le courant de chlore en fonction de la température de façon qu'un excès de chlore correspondant à<B>10%</B> de Cl' dans du gaz CO' subsiste après la réaction et la condensation des chlorures sublimés. En raison du taux élevé de la réaction aux températures supé rieures, de l'ordre de 1000 à 1050 , on réalise cet état nécessaire dans un appareil continu à contre-courant établi comme décrit ci-après.
De cette façon, on empêche complètement la conversion nuisible du chlorure chromique en chlorure chromeux par dissociation à toutes les températures convenant pour la sublima tion des chlorures de chrome, on empêche l'arrêt du courant de gaz et du passage du minerai par l'accumulation du CrCl' liquide et, en même temps, on augmente la volatilité des chlorures de chrome, en faisant en sorte que les concentrations appréciables du tétra chlorure de chrome soient favorisées par la pression partielle du chlore conformément aux résultats décrits dans l'alinéa 3 donné plus haut.
b) Ayant pourvu la cornue verticale con tinue de moyens pour éliminer les gaz com posés de chlorures sublimés, d'anhydride car bonique et d'un excès de chlore en un point intermédiaire de la zone chauffée, on règle la quantité de matières solides descendant par unité de temps et l'application de chaleur extérieure ou intérieure de telle manière que la température de la colonne soit maximum en un point situé un peu au-dessous de l'ori fice de sortie susmentionné, et de façon que ce dernier ne soit jamais à une température plus basse que 900 . Cette température est légèrement supérieure à celle à laquelle le chlorure chromique solide est en équilibre avec une pression partielle de 0,38 atm envi ron de chlorure chromique gazeux.
La dilu tion susmentionnée du gaz quittant la cornue par du C02 engendré par la réaction limite la concentration maximum de la vapeur de chlorure chromique à une quantité voisine de cette valeur. En maintenant cet état de la façon spécifiée, tout le CrCl' se sublime au fur et à mesure qu'il prend naissance, de sorte que l'engorgement de la colonne par des chlorures de chrome non vaporisés est empêché et qu'une chloruration et une sublimation continues sont assurées.
Pour comprendre les conditions a) et b) exposées plus haut, on donnera des explica tions complémentaires en se référant aux con ditions particulières qui interviennent lors qu'on traite un minerai de la composition sus- indiquée. Dans les conditions qui conviennent pour la chloruration et la sublimation des chlorures de chrome, tous les oxydes du mi nerai, à l'exception de la silice, sont chloru rés. Les chlorures de fer, de chrome et d'alu minium sont volatilisés, et les chlorures de magnésium et de calcium restent sous forme de liquides avec les solides de la charge.
Si l'on suppose que la charge de l'appareil soit de 2 kg, les conditions stoechiométriques sui vantes interviennent:
EMI0007.0004
Poids <SEP> en <SEP> g <SEP> moiérulcs Constituants <SEP> Poids <SEP> <B><U>0b</U></B>
<tb> moléculaire <SEP> (sur <SEP> 2000) <SEP> grammes
<tb> Cr20 <SEP> 152,02 <SEP> 5<B>1</B>,6 <SEP> 1032 <SEP> 6,78
<tb> Fe0 <SEP> 71,84 <SEP> 19,6 <SEP> 392 <SEP> 5,48
<tb> SiO2 <SEP> 60,06 <SEP> 5,5 <SEP> 110 <SEP> 1,82
<tb> A120 <SEP> 101,94 <SEP> 11,8 <SEP> 236 <SEP> 2,32
<tb> <B><I>MgO</I></B> <SEP> 40,32 <SEP> 11,5 <SEP> 230 <SEP> 5,70
<tb> Ca0 <SEP> 56,08 <SEP> 0,8 <SEP> 16 <SEP> 0,28 La quantité de mois de carbone théorique utilisée, équivalente au carbone du C02 en gendré, est:
EMI0007.0006
Pour <SEP> <B>le</B>
<tb> constituant <SEP> Quantités <SEP> Totaux
<tb> Cr <SEP> 201 <SEP> 1,5 <SEP> X <SEP> 6,78 <SEP> 10,17
<tb> FeO <SEP> 0,5 <SEP> X <SEP> 5,46 <SEP> 2,74
<tb> A1203 <SEP> 1,5 <SEP> X <SEP> 2,32 <SEP> 3,48
<tb> <B>MgO</B> <SEP> 0,5 <SEP> X <SEP> 5,70 <SEP> 2,85
<tb> Cao <SEP> 0,5 <SEP> X <SEP> 0,28 <SEP> <U>0,14</U>
<tb> Total: <SEP> 19,38
<tb> équivalant <SEP> à <SEP> 232,3 <SEP> g De même, les molécules de Cl' nécessaires sont:
EMI0007.0007
Pour <SEP> le
<tb> constituant <SEP> Quantités <SEP> Totaux
<tb> Cr-0 <SEP> <B>3</B> <SEP> X <SEP> 6,78 <SEP> 20,34
<tb> Fe0 <SEP> 1,5 <SEP> X <SEP> 5,48 <SEP> 8,22
<tb> A.120 <SEP> 3 <SEP> X <SEP> 2,32 <SEP> 6,96
<tb> Mg0 <SEP> 1 <SEP> X <SEP> 5,70 <SEP> 5,70
<tb> Ca0 <SEP> 1 <SEP> X <SEP> 0,28 <SEP> 0,28
<tb> Total:
<SEP> 41,50
<tb> mois <SEP> C12 <SEP> ou <SEP> 2941 <SEP> g Finalement, on aura les chlorures volatils dans les proportions de
EMI0007.0009
Constituants <SEP> Mols <SEP> gazeux
<tb> 2 <SEP> Crcl3 <SEP> 13,56
<tb> 1/2 <SEP> Fe2Ch <SEP> 2,74
<tb> 1 <SEP> A12Cl <SEP> 2,32
<tb> Total <SEP> pour <SEP> les <SEP> chlorures <SEP> gazeux <SEP> 18,62
<tb> C02 <SEP> (voir <SEP> plus <SEP> haut) <SEP> <U>19,</U>38
<tb> Total <SEP> pour <SEP> les <SEP> constituants <SEP> gazeux <SEP> 38 Il semblerait ressortir de ces chiffres que si 41,5 mois de chlore étaient amenés au con tact de 2000 g de minerai de la composition spécifiée, mélangé avec 232 g de carbone, il devrait s'effectuer une réaction complète,
et une sublimation complète du chlorure de chrome chaque fois que la température a atteint un point où la pression de vapeur de cette matière est plus grande que
EMI0007.0010
soit 0,357 atm. En réalité, la demanderesse a dé couvert que tel n'est pas le cas à cause de réactions secondaires.
Ainsi, on obtient en premier lieu 2 CrCl3 - 2 CrCl= --f- C12 (1) cette réaction étant suivie de: 2 CrClg -f- C12 - 2 CrC14 (2) Comme la réaction (2) utilise du chlore, la réaction (1) se poursuit et les réactions consé cutives continuent jusqu'à ce qu'un état d'é quilibre ait été atteint.
Lorsque ceci est ter miné, on constate qu'une portion considérable du chrome se trouve sous forme de@CrCl2, qui est liquide et relativement non volatil, et c'est pourquoi la cornue s'obstrue et est mise hors d'état de fonctionnement.
La teneur réelle en chlore du mélange en équilibre n'est que de quelques dixièmes pour cent au voisinage de 900 0, mais cette teneur n'est -pas suffisante, en vue d'une opération satisfaisante, pour maintenir un léger excès de chlore par rapport à la teneur ci-dessus, à titre d'addition primaire, étant donné que le fait d'ajouter un excès quelconque de chlore a d'abord uniquement comme résultat d'aug menter les quantités relatives < le CrCl' en comparaison avec CrCl' et que cet excès uti lisé pour engendrer CrCl' n'empêche pas la formation de CrCl2. Cette situation ressort de la fig. 6, qui montre,
pour différentes tem pératures portées en abscisses, les quantités relatives de CrCl' (ordonnées) exprimées en pour cent de la quantité totale de chlorures de chrome volatils présents, lorsqu'on ajoute divers excès de chlore. Chacune des courbes <I>A, B, C, D,</I> se rapporte à une quantité spéci fiée de Cl= trouvée dans le gaz d'échappement (C02) après la réaction et après refroidisse ment et condensation (réaction (2) renversée). Ces courbes se terminent à la ligne discon tinue E qui indique la température à laquelle commence la condensation de CrCl'.
Au-dessus et au-dessous de la température à laquelle la pression de vapeur normale de CrCf convient pour assurer la volatilisation complète du chlorure de chrome lorsqu'il est dilué avec les quantités de C02 engendrées par la réaction, deux groupes différents de conditions s'appliquent à l'excès minimum de chlore qui suffit pour empêcher la formation de CrCl2. On a représenté ces groupes sur la fig. 5.
Dans cette figure, dans laquelle les températures sont portées en abscisses, et les teneurs en chlore du gaz affluent, en ordon nées, la courbe A indique la quantité de<B>C12</B> présente dans le C02 qui s'échappe lorsque la formation de CrCl2 en présence de CrCl' solide est juste empêchée et la courbe B la. quantité de C12 présente lorsque la quantité de CrCl' engendrée est insuffisante pour sa turer la phase gazeuse aux températures su périeures à la température de saturation nor male.
On voit que ces courbes s'intersectent à une température juste inférieure au point de saturation normal pour une pression par tielle de 0,357 atm et que le lieu de la pointe ecrrespond à 5,5 % de Cl' dans le gaz d'échap pement. Au-dessous de ces courbes, du chlo rure chromeux prend naissance.
Etant donné que, dans une opération con tinue à contre-courant, le chlore et les mé- langes de minerai et de carbone doivent né cessairement être en contact à. une série de températures différentes, à la température de travail ou voisines de cette température, il est clair qu'il faut utiliser un excès de chlore correspondant au moins à 5,5,%. Il est très facile d'obtenir une confirmation de la quan tité qui doit être utilisée en excès par une analyse du gaz d'échappement après que les chlorures volatils ont été condensés,
et l'on a trouvé qu'il n'est pas recommandable d'adopter une valeur par trop voisine du point critique dans la pratique. On a trouvé qu'une limite de travail sûre dans le C02 du gaz d'échappement est celle comprise entre 10 et 11 % , ce qui laisse une marge de sécurité pour tenir compte des fluctuations inévitables qui se produisent dans les conditions de tra vail et dans les variations du minerai traité. De plus, il est évident que, bien que le point critique soit en grande partie déterminé par les relations mutuelles chimiques entre les chlorures de chrome, ce point dépend aussi dans une certaine mesure de la composition du minerai traité.
Ainsi, pour faire ressortir les conditions dans lesquelles les plus grands excès de chlore seraient nécessaires, ce qui correspondrait aux conditions de travail les plus sévères, les courbes supérieures A' et B' ont été tracées sur la fig. 5 pour indiquer les limites qui interviennent lorsqu'on chlorure du Cr20' pur plutôt qu'un minerai de chromite. On remar quera que les courbes A et A', qui montrent les conditions limitant la formation de CrCl2 lorsque du CrCl' solide est présent,
ne dif fèrent que légèrement dans le cas de la chlo- ruration du minerai en comparaison avec celle du Cr20' pur. Dans ce cas, la pression par tielle du CrCl' dans le gaz est déterminée par les pressions de vapeur de cette matière, et la variation résulte du faible effet de dilution des chlorures volatils et de leur équivalent en C02 agissant sur la concentration des autres constituants, à l'exception de CrCl'.
Les courbes<I>B</I> et<I>B',</I> qui se rapportent aux températures supérieures aux points de rosée de CrCl', diffèrent dans une mesure plus appréciable, parce que, dans ce cas, les concentrations sont influencées par les rela tions stoechiométriques.
Toutefois, il est clair que, quelles que soient les conditions de la chloruration de minerais de chromite, on ne pourrait pas obtenir des concentrations en Cr el, plus grandes que celles correspondant aux concentrations équivalentes à l'action de Cl' sur Cr2O3 pur, de sorte que la pointe, soit 10,7%, peut être considérée comme la limite supérieure dans toutes les conditions de travail et pour tous les minerais.
Comme ce point doit être déterminé indirectement et est susceptible d'une légère erreur, la valeur comprise entre 10 et<B>11%,</B> qui coïncide avec la limite expérimentale trouvée dans le fonc- iionnement réel d'une cornue de chloruration continue, peut être considérée comme la limite de travail supérieure dans la pratique. Ainsi, alors que, par ce qui précède, il semblerait qu'on puisse réduire l'excès de chlore en trai tant un minerai pauvre en Cr203, il résulte rait de cette manière de faire qu'on se rap procherait d'un état où le risque d'arrêt de la cornue est augmenté.
Ceci peut être expliqué comme suit: le fer que contient la chromite est un peu plus facile à chlorurer que le chrome, et il est possible d'avoir dans une colonne de minerai en mouvement diverses relations entre Crz03 et FeO qui correspon dent au degré auquel la chloruration a eu lieu, cet état de choses étant l'équivalent d'un accroissement de la teneur de CrzO' du mi nerai.
C'est ainsi que les seules conditions de travail absolument sûres sont celles qui cor respondent à du Cr2O3 pur, étant donné que toutes les conditions de travail réelles doi vent nécessairement être moins sévères que dans le cas de la matière pure et qu'un enri chissement quelconque du minerai en Cr2O3 comme résultat d'une chloruration sélective en quelque point intermédiaire de la colonne de chloruration ne peut pas exiger des condi tions plus sévères que celles se rapportant au Cr203 seul.
Si l'on se réfère maintenant à la condi tion b), il ressort de la fig. 6 que la tempé rature à laquelle une condensation a lieu est légèrement diminuée lorsqu'on utilise du chlore en excès.
On a trouvé que si l'on fait en sorte que la température du gaz quittant la cornue ne descende pas au-dessous de 900-920 , c'est-à-dire qu'elle soit supérieure de 10 à 15 au point de condensation véri table lorsque 10 à<B>Il %</B> de chlore sont main tenus dans le gaz résiduel après la condensa tion des chlorures si le minerai traité est celui spécifié, un procédé continu est réalisable, avec une marge de sécurité pour les besoins de la pratique. Il n'y a évidemment pas de température limite supérieure critique exacte lorsqu'on utilise l'excès voulu de chlore.
Alors que la vapeur de chlorure chromique en équi libre avec des cristaux solides exigerait ap proximativement 0,01 atm de chlore pour empêcher la dissociation au point normal de sublimation (947 ), la dilution de la phase gazeuse par du C02 provenant de la réaction empêche la saturation aux températures supé rieures à 900-920 , d'où résulte une dimi nution continuellement croissante de l'excès de Cl' aux températures supérieures à ce point.
Cependant, les courbes de la fig. 6 montrent que la quantité de CrC14 diminue avec la température et que, pour assurer les avantages de la volatilité de cette matière, il est bon de ne pas utiliser des températures supérieures à 1050-1100 . Ces températures sont d'ailleurs aussi à déconseiller en raison de l'accroissement de la réactivité avec la silice que contiennent les minerais et avec les parois du four.
Si l'on se réfère aux quantités stoechio- métriques indiquées plus haut, il est clair que <B>10%</B> de C12 dans le C02 du gaz d'échappe ment correspondent à 2,15 mols de C12 pour 19,38 MOIS de C02, de sorte que les besoins totaux en chlore sont 41,5 -f- 2,15 = 43,65 mols, soit 1,053 fois la valeur théorique.
Ceci donne la base théorique relative au réglage de la quantité de chlore introduite, mais il est bon de contrôler périodiquement la condition re quise par une analyse du gaz d'échappement, surtout si la composition du minerai change dans une mesure marquée.
La. façon dont ces principes peuvent être appliqués à la chloruration continue à contre- courant des minerais de chromite sera mise en évidence par l'exposé qui suit d'un exem ple particulier: Etant donné un four à cuve verticale de dimensions données et de la construction habi tuelle, pouvant être une simple cornue cylin drique verticale avec un orifice de sortie du gaz placé près ou au-dessous du centre de la zone chauffée, on détermine d'abord la gros seur des grosses particules porteuses qui se déplaceront d'une façon régulière et ininter rompue à. travers la cornue sous l'action de la pesanteur.
Il faut que les particules porteuses soient suffisamment grosses pour permettre aux gaz montant dans la cornue de passer facilement à travers la finasse de particules Ft assez fines pour descendre avec un mouve ment régulier, comme on l'a dit plus haut. Les cornues de 5 à 10 cm de diamètre exigent habituellement des particules de 4,7 à 8 mm (le grosseur moyenne; mais on peut utiliser des particules de 9,4 à 12,7 mm dans des cornues de 15 à 20 cm et, dans le cas d'ap pareils encore plus gros, on peut utiliser des particules porteuses de 12,7 à 19 mm de gros seur moyenne. Des particules de support de ces dimensions ont une masse relativement grande en comparaison avec le minerai.
La matière dont sont faites les particules de support peut être tout réfractaire inerte à l'égard des réactifs chimiques utilisés dans 1;@ procédé. La demanderesse a utilisé le quartz, la mullite, le coke, le carbone et même, dans certains cas, les particules de minerai eux-mêmes, ces trois derniers réfrac taires rentrant dans la classe des matières, inertes en raison de la grosseur des particules et de l'action illustrée sur la fig. 1.
Ayant déterminé la grosseur correcte des particules, on mesure la résistance offerte au passage du gaz en contre-courant dans la cor nue lorsque des particules de ce genre descen- dent dans celle-ci sous l'action normale de la pesanteur. Par ce moyen, on détermine qu'on peut. faire passer un maximum marqué de chlore (dans l'exemple particulier envisagé ici) sous une pression appropriée.
En général, il est préférable de travailler avec des chutes de pression (manométriques) n'excédant pas 50 à 65 cm d'eau à travers la cornue, car si l'on utilise des pressions ou des vitesses élevées, les fines particules de minerai sus ceptibles d'être détachées accidentellement de la pellicule (ou des particules supportées) par le mouvement de la colonne tendent à être expulsées de la cornue avant qu'elles aient pu être chlorurées, et des pressions encore plus élevées peuvent aussi avoir tendance à provoquer dans une mesure exagérée la for mation de canaux de moindre résistance, de telle sorte que les gaz cessent d'entrer uni formément en contact avec les pellicules re couvrant les particules porteuses.
Bien entendu, les pressions et débits me surés dépendront de la nature, de même que de la grosseur, des particules porteuses ainsi que, jusqu'à un certain point, de la construc tion du four ou cornue. Ainsi, par exemple, dans une simple cornue cylindrique verticale de<B>5,7</B> cm de diamètre et avec une zone chauf fée de 50 cm environ de hauteur, la deman deresse a trouvé que la limite supérieure du débit désirable du gaz est comprise entre 6 et 8 litres par minute, lorsqu'on utilise des par ticules porteuses en quartz ayant une gros seur moyenne de 6,3 mm. Ceci équivaut, du point de vue stoechiométrique, à 11-14,8 g par minute de minerai de la composition indi quée plus haut avec un excès de chlore cor rect.
Il est évident que la capacité maximum d'une cornue donnée sera déterminée par la vitesse à laquelle le chlore peut être fourni, pourvu, toutefois, qu'on puisse faire en sorte que cette quantité de minerai par unité de temps ne soit pas supérieure à la limite cor respondant au taux de la réaction.
Pour préparer la couche destinée aux par ticules porteuses, on commence par mélanger et broyer intimement le minerai de chromite avec le carbone finement divisé. Bien que les proportions stoechiométriques du carbone par rapport au minerai en question correspondent, comme expliqué précédemment, à 11,6% du poids du minerai, la demanderesse a trouvé qu'il est préférable d'utiliser un excès cor respondant à l'application de 14,5 à 16 % du poids de la chromite,
afin d'assurer un taux de réaction rapide dans les conditions qui règnent lorsque la majeure partie de la chro- mite a été chlorurée. Comme on l'a dit pré cédemment, il est préférable que la grosseur des particules de minerai, après broyage, soit inférieure à celle correspondant au tamis no 100 et, de préférence, qu'elle soit voisine de celle correspondant au tamis no 200.
On ajoute alors le mélange finement broyé de chromite et de carbone aux grosses parti cules porteuses, ayant 6,3 mm dans cet exem ple, à raison de 100 à 200 g dudit .mélange pour 1000 g de particules et on culbute, roule ou on agite ou traite de quelqu'autre manière le mélange, jusqu'à ce que les fines particules de minerai-carbone adhèrent aux grosses particules porteuses, sous forme d'une mince pellicule uniforme. On favorise cette action en ajoutant, avant l'action d'agitation, de faibles quantités d'un agent de mouillage volatil liquide, tel que le tétrachlorure de car bone, l'essence minérale ou même l'eau, par exemple.
La tension superficielle et les forces capillaires tendent alors à étaler d'une façon très uniforme le mélange finement broyé de minerai et de carbone sur les particules por teuses. Dans le cas de particules porteuses faites de quartz ou des autres matières ayant été utilisées précédemment, il existe habituel lement de faibles quantités adhérentes de chlorure de magnésium résiduel et, en raison des propriétés hygroscopiques de cette ma tière, celle-ci tend à se mouiller légèrement et provoque l'adhérence du minerai finement broyé.
Même à l'état complètement sec, les forces de cohésion sont encore suffisantes pour provoquer l'adhérence entre les fines particules et les grosses particules à un degré suffisant pour constituer la, mince couche dé sirée sur les grosses particules. L'addition de l'agent de mouillage n'est donc aucunement essentielle et l'on a obtenu des résultats satis faisants sans y avoir recours, mais on cons tate que la présence de cet agent facilite l'obtention d'une pellicule uniforme et aug mente les propriétés d'adhérence de la pelli cule après que celle-ci a été formée, en par ticulier lorsque de faibles quantités de ma tières goudronneuses ou paraffineuses sont présentes.
La densité apparente du mélange broyé de chromite et de carbone est voisine de 1,15, de sorte que l'épaisseur de la pellicule, lorsque 100 g dudit mélange sont dispersés sur 1000 g de particules porteuses en quartz de 6,3 mm, est voisine de 0,25 mm, cette épaisseur étant de 0,5 mm environ avec la limite supérieure de 200 g de fines par kilo de quartz.
Bien qu'il soit possible d'utiliser des couches plus épaisses allant jusqu'à 3 mm d'épaisseur, on a généralement trouvé qu'il n'est pas recom mandable que les particules de quartz sup portent plus de fines que la quantité corres pondant à la quantité de chlorure de magné sium qui peut normalement être retirée du minerai par la capillarité et le mouillage su perficiel des particules de quartz.
Il est pré férable que ce facteur soit déterminé empiri quement pour chaque minerai et chaque type de support, étant donné que l'épaisseur de pellicule qui convient pour les besoins envi sagés dépend évidemment du pourcentage des impuretés que contient le minerai, ainsi que de la nature de la surface des particules por teuses.
Dans l'exemple donné, avec une teneur combinée en CaO et MgO de 12,3%, la limite supérieure est voisine de 125 g de mélange de minerai et de carbone par kilo de quartz en morceaux de 6,3 mm. Lorsqu'on utilise des particules porteuses faites d'une matière poreuse telle que le coke, la limite supérieure est portée à une valeur voisine de 400 g par kilo de coke, la différence pouvant être attri buée en partie à la densité apparente plus faible des particules de coke et en partie à l'accroissement de porosité de ces dernières.
En se reportant de nouveau à la fig. 2, on voit. que l'épaisseur de pellicule de 0,25 à <B>0,5</B> mm correspond à des temps de réaction de 50 secondes à 1,5 minute pour la chloru- ration complète.
On introduit alors dans la cornue les particules porteuses contenant la couche mince de minerai fin, en contre-courant par rapport à un courant ascendant de chlore gazeux, avec un débit tel que le temps de séjour des particules porteuses dans la zone de réaction (qui est la partie de la cornue située au-dessous de l'orifice d'échappement de gaz et maintenue à 900 et s'étendant vers le bas jusqu'au point où la charge quitte la zone chauffée et se refroidit rapidement) est un peu plus grand que les temps de réaction indiqués sur la fig. 2.
Ainsi, dans l'exemple particulier d'une cornue de 57 mm illustré haut, on peut, d'une manière commode et efficace, placer l'orifice d'échappement de gaz au-dessus de l'extrémité inférieure de la zone chauffée (50 cm de hauteur) et au quart de la hauteur de cette zone, de sorte que la zone de réaction possède une hauteur de 12,5 cm. Si les particules porteuses en quartz sont introduites à raison de 4 à 5 kg par heure, la vitesse du parcours sera de 5 cm environ par minute et le temps de séjour dans la zone de réaction sera légèrement su périeur à 2 minutes, ce qui est juste au- dessus des besoins théoriques (0,8 à 1,5 mi nute) basés sur la fi--. 2.
De cette façon, il est possible d'effectuer le contact entre le minerai et le chlore d'une façon continue et en .contre-courant, avec une distillation sen siblement complète des chlorures volatils et avec les conditions chimiques réglées qui sont nécessaires, comme on l'a vu précédemment, pour éviter la formation de chlorures de chrome non volatils inférieurs et en volatili sant des parties importantes du chrome sous forme de tétrachlorure de chrome.
Les particules porteuses sortant de l'extré mité inférieure ou d'évacuation de la cornue contiennent le résidu non chloré du minerai, qui est essentiellement composé de silice, et les chlorures non volatils de chaux et de magnésie. Il est facile d'éliminer ces derniers par un lavage à l'eau, qui enlève aussi le résidu de minerai silicieux fin, et on sèche alors superficiellement les particules porteuses pour les réutiliser après les avoir de nouveau revêtues de minerai fin. Dans certains cas, l'agitation des particules sur un tamis assez fin pour retenir le support en quartz mais assez gros pour laisser passer les particules de résidu suffit pour assurer une bonne sépa ration sans la nécessité d'un lavage et d'un séchage.
La partie du four qui est située au-dessus de l'orifice d'échappement de gaz constitue principalement un préchauffeur. Bien que le rôle principal du revêtement pelliculaire en minerai des particules porteuses réside dans le fait de disposer les facteurs physiques de telle manière que les conditions chimiques re- (luises puissent être satisfaites et dans le fait d'enlever des fines particules de minerai, par capillarité, les chlorures non volatils liquides qui provoqueraient ordinairement l'arrêt de la chloruration et de faibles taux d'extraction s'ils avaient la possibilité de s'accumuler dans une charge de briquettes ou une couche épaisse de minerai,
on réalise aussi un cer tain nombre d'avantages secondaires qui ont une grande importance pour la réalisation d'un procédé continu satisfaisant, savoir: a) Le maintien d'une vitesse relative éle vée entre les particules de minerai et le gaz, d'où résultent des taux de diffusion élevés du chlore allant au minerai et des chlorures volatilisés et de<B>CO'</B> se séparant du minerai; b) l'application de moyens pour mainte nir l'équilibre thermique du système pendant la chloruration et la sublimation par l'utili sation de la chaleur sensible emmagasinée dans les particules porteuses.
L'importance du premier de ces avantages ressort de la table qui suit des densités et taux de diffusion relatifs des divers gaz et vapeurs en question:
EMI0013.0001
Gaz <SEP> ou <SEP> vapeurs <SEP> Densité <SEP> Taux <SEP> de <SEP> diffusion
<tb> des <SEP> gaz <SEP> relatifs
<tb> Air <SEP> 1 <SEP> 1
<tb> Chlore <SEP> 2,4 <SEP> 0,5
<tb> Anhydride <SEP> carbonique <SEP> 1,5 <SEP> 0,8
<tb> Vapeur <SEP> de <SEP> chlorure <SEP> ferrique <SEP> 11,2 <SEP> 0,8
<tb> Vapeur <SEP> de <SEP> trichlorure <SEP> de <SEP> chrome <SEP> 5,5 <SEP> 0,43
<tb> Vapeur <SEP> de <SEP> tétrachlorure <SEP> de <SEP> chrome <SEP> 6,5 <SEP> 0,
39 Les densités élevées et les faibles taux de diffusion relatifs de plusieurs des vapeurs et gaz qui interviennent dans le procédé occa sionnent de grandes difficultés pour amener du chlore réagissant frais à la particule de minerai et, spécialement, pour éliminer la va peur lourde engendrée par la chloruration, et l'on ne peut surmonter cette difficulté qu'en assurant une vitesse relative élevée du gaz par rapport aux particules de minerai et aux particules porteuses.
Si le minerai fin n'était contenu que dans les interstices qui séparent des grains plus gros, il résulterait de telles vitesses que les particules fines seraient expulsées de la cornue avant d'avoir été chlo- rurées et donneraient lieu à de graves ennuis à cause des poussières, outre que l'extraction serait médiocre.
Dans une charge de bri quettes, les vapeurs lourdes ne peuvent être retirées des canaux intérieurs et des conduits capillaires de la briquette qu'avec une extrême lenteur, d'où résultent une insuffisance de chlore et un excès de vapeurs de chlorures, accompagnés de la formation inévitable de chlorures inférieurs non volatils liquides, provoquant l'obturation rapide des pores et la cessation de la ehloruration. Ainsi, c'est seu lement en disposant le minerai sous forme d'une mince couche au contact de laquelle les gaz peuvent se mouvoir à des vitesses rela tives élevées qu'il est possible de travailler d'une façon continue, en contre-courant et avec un taux d'extraction élevé des chlorures volatils.
En ce qui concerne les besoins thermiques, on constate que la chloruration des mélanges de minerai de chromite et de carbone est exo thermique s'il se forme des chlorures solides ou liquides, et qu'elle est endothermique si les chlorures volatils prennent naissance sous forme de vapeurs, étant donné que ces chlo rures ont des chaleurs de vaporisation relati vement élevées.
Ainsi, à moins qu'un apport adéquat de chaleur aisément conductible ne soit prévu pendant la chloruration, il y aura une grande tendance à la formation de chlo rure chromique solide pendant les premiers stades de l'action en contre-courant, et il pourra en résulter un coincement de la charge et une interruption du courant de gaz et de matières solides.
Il est évident que le présent procédé permet d'utiliser la majeure partie d'une cornue pour préchauffer les particules porteuses et y emmagasiner de la chaleur sensible qui est cédée librement à la pellicule de minerai par une transmission à contact direct pendant la période .de chloruration finale au-dessous de l'orifice d'échappement de gaz.
A cet égard, il y a lieu de noter que l'ad- ditiop. d'une faible quantité de chlore à l'extré mité d'entrée de minerai de la cornue, con curremment avec le minerai, contribue à assu rer le maintien du caractère adhésif de la pellicule pendant la période de préchauffage, étant donné que les faibles quantités de chlo rures non volatils ainsi engendrées tendent à lier la pellicule de minerai fin aux particules porteuses.
La fig. 3 est une représentation schéma tique d'un appareil qui a été utilisé avec suc cès par la demanderesse. Dans cet appareil, il est prévu une cuve verticale 6 faite d'une matière inerte telle que la silice, et la deman deresse a utilisé avec succès la matière dite "Vitreosil". A l'extrémité supérieure de la cuve, un orifice d'admission de minerai ? per met l'introduction de la charge, sous forme des particules porteuses susmentionnées revê tues du mélange de minerai et de charbon. Un dispositif de chauffage, indiqué en 8 sous forme d'une résistance électrique, est placé autour d'une partie de la cuve intermédiaire de sa. hauteur.
La partie supérieure de la cuve 6 est prolongée par une rallonge mé tallique 32. Le joint entre la cuve et la ral longe est protégé par une chemise à eau de refroidissement 9 qui l'entoure. Environ<B>10%</B> du chlore sont introduits par un conduit d'admission 11 placé au sommet de la cuve, le reste étant introduit par un conduit d'ad mission 12 adjacent à l'extrémité inférieure de l'équipement. Un tube à thermocouple 14 descend à l'intérieur de la cuve jusqu'en un point situé au-dessous du conduit 16 par le quel s'échappent les matières volatilisées. Le conduit 16 débouche au-dessus de l'extrémité inférieure de la zone de chauffage, afin d'as surer l'élimination des chlorures volatilisés.
Ordinairement, ce conduit est placé au quart environ de la hauteur de la zone au-dessus de son extrémité inférieure, car ceci a donné de bons résultats. A la base de la cuve est prévue une autre section réfrigérante 17 ser vant à protéger le joint entre la cuve 6 et la structure de base métallique 33 et à re froidir les matières qui passent à travers ce joint pour être évacuées par des transporteurs 18 disposés dans un boîtier 19 situé à la partie inférieure de la. cuve.
Les produits volatilisés passent par l'ori fice d'échappement. 16 dans un condenseur 21. Ce condenseur est aussi en silice (ordi nairement en vitreosil). Les chlorures volati lisés sont condensés dans le condenseur 21 et un racloir 22 permet aux clorures volatilisés ainsi condensés sur la paroi interne du con- denseur d'en être détachés pour tomber au fond de l'équipement sur une plaque 23 dont ils peuvent être enlevés à l'aide d'un autre racloir 24 qui les amène dans un conduit 26. La matière recueillie dans le conduit 26 est tirée par le racloir 24 dans un collecteur 27.
La matière non condensée, les poussières fines, etc. passent dans un récipient 28 dans lequel le gaz est filtré à travers une poche filtrante 29, habituellement en amiante. Un secoueur 31 supporte l'extrémité supérieure de la poche et celle-ci est secouée occasionnelle ment de telle sorte que les poussières recueil lies tombent dans le collecteur<B>27.</B>
Sur la fig. 4, on a représenté l'échelle des températures en regard de la hauteur de la cornue, les températures exprimées en cen taines de degrés étant portées en abscisses. Ce sont les températures réelles régnant dans toutes les parties de l'équipement travaillant dans des conditions constantes.
Le présent procédé n'est pas limité à l'application de chlore élémentaire à titre d'agent de chloruration. Ainsi, au lieu de dis poser des mélanges de minerai et de carbone sur la surface de particules porteuses, il peut, dans certains cas, être préférable de n'utiliser que du minerai comme substance destinée à constituer la pellicule et de fournir les agents réducteurs sous une forme gazeuse. On peut, par exemple, substituer les vapeurs de tétra chlorure de carbone ou d'autres hydrocarbures chlorés volatils au chlore, étant donné que ces hydrocarbures fournissent du chlore actif. On peut aussi utiliser des autres composés don nant du chlore actif.
Dans certains cas, on peut introduire des gaz d'hydrocarbures et du chlore soit sous forme de mélanges, soit dans des positions alternantes de la colonne de la. cornue. Lorsque des matières contenant de l'hydrogène sont ainsi utilisées, les gaz effluents contiennent de l'acide chlorhydrique et de la vapeur d'eau, mais les principes phy siques qui interviennent sont les mêmes que dans le procédé décrit en premier lieu et des avantages également importants sont réalisés dans le fonctionnement.
A process for the continuous manufacture of chromic chloride by chlorination in the presence of a reducer of oxidized ores of finely divided chromium, which together contain other metals including iron, calcium and magnesium. This invention relates to a process for the continuous manufacture of chromic chloride by chlorination in the presence of a reducing agent of oxidized chromium ores in the finely divided state, which together contain other metals including iron, calcium and magnesium. ,
characterized in that the ore in the finely divided state is applied as a thin film coating on larger mobile particles which are themselves chemically inert and which, thus coated, are displaced through a zone of reaction in which these particles and the gaseous chlorinating agent move against the current, the ratio between the quantities of ore and of chlorinating agent introduced into said zone being such as for all times,
the amount of chlorinating agent is greater than that necessary for all chlorinatable materials to be converted to their chlorides, the reaction being carried out at temperatures at which the chromic chloride separates from the ore by volatilization.
This invention makes it possible to carry out the satisfactory chlorination of chromite ores, especially those of lower quality than presently acceptable for the production of ferroalloys, in a continuously operated furnace, such chlorination being accompanied by a subli mation of all (or practically all) the elements giving rise to volatile chlorides, chromium in particular.
It has long been known that the pace or rate of the chemical reaction between solids and gases is accelerated when the degree of fineness of subdivision of the solid is increased, but until now it has not It has been possible to carry out such processes directly in shaft furnaces, because the presence of appreciable quantities of fine material in apparatus of this type tends to obstruct the passage of gases through the charge and makes it necessary to application of such high pressures, as well as of such high relative velocities between gas and solid, that dust difficulties are encountered.
Hitherto it had been necessary either to resort to the concretion of fine ores, as is often done with ores such as iron, lead and zinc ores, or to endeavor to 'Ensure satisfactory contact by pouring the finely ground ores as a rain through a gas riser. The first of these means gives a permeable charge, but the concretion tends to cause the enlargement of the particles or even, in extreme cases, the formation of partially molten particles, and thus prevents taking advantage of the accelerating action of the particle. fineness of subdivision for chemical or metallurgical purposes. The application of the second means gives rise to a large number of practical difficulties.
On the front line, the dust problem becomes extremely serious. Moreover, when it comes to carrying out reactions which involve relatively high temperatures and appreciable reaction times, the heat transfer necessary, if any, to satisfy possible endothermic conditions in the reaction becomes difficult and often. impractical in practice. Finally, appreciable contact times can only be ensured by constructing exaggeratedly tall apparatuses or by carefully sorting the introduced ore so that it can be kept exactly suspended on the gas stream.
The Applicant, having attempted to apply methods known to the technician and described by patents such as, for example, the Adrian patents (see patent issued in the United States under No. <B> 1 </B> 434 -185 of November 7, 1922) to a vertical retort that was continuously worked, found that it is not possible to successfully generate and volatilize the chlorides by observing the conditions known to previous researchers and also specified well in the above patents than in others using the well known reaction of chlorine with oxide ores and reducing agents.
After an in-depth study of the conditions of volatility of chromium chlorides, the Applicant has discovered how the intended goal of the sublimation of the volatile constituents during chlorination can be achieved in a countercurrent retort working in a manner. keep on going.
The present process allows the use of shaft furnaces of the usual type while retaining the advantages of a large subdivision, at the same time avoiding the difficulties due to dust and nevertheless maintaining high relative velocities between the gas and the solid. treat. It further has other advantages in that it allows continuous operation of the countercurrent type even when certain constituents of the ore, or its impurities, are temporarily or necessarily converted into the liquid form.
As chlorinating agent, not only chlorine can be used, but also gaseous substances at the reaction temperature capable of delivering chlorine.
The following description relates more particularly to the use of free chlorine. The Applicant has discovered that in order to advantageously carry out the process according to the invention, it is desirable to control the chemical conditions defined by a series of complicated chemical mutual relationships existing between the various chromium chlorides and, at the same time, control the physical conditions under which the chlorination takes place.
In the first attempts made to apply Adrian's conditions, as shown on page 1, line 40, through page 2, line 30 of U.S. Patent No. <B> 1 </B> 434,485 , in a continuous furnace, of the retort type, a chromite ore of a type common to. deposits found in the United States and which gave the following results on analysis:
EMI0003.0001
Crz03 <SEP> 51.6
<tb> FeO <SEP> 19.6
<tb> SiO2 <SEP> 5.5
<tb> A103 <SEP> 11.8
<tb> Mgo <SEP> <B> 11.5% </B>
<tb> Ca0 <SEP> <U> 0.8 </U>
<tb> 100.8 When trying to chlorinate with free chlorine and sublimate an ore of this kind in a continuous countercurrent furnace, it is found that no continuous operation is possible with a load of briquettes or simply finely ground because certain liquid chlorides are formed which are not volatile, especially CrCl2, MgCl2 and CaCl2, along with solid CrCl '.
The Applicant has discovered that the formation of CrCh can be avoided if certain chemical conditions are met, especially if the presence of an excess of at least 5.5% free chlorine in the gas is ensured. exhaust and removal of these gases at temperatures of at least <B> 890 '. </B> She further found that the primary reaction rate of chlorination is then so high at higher temperatures. at <B> 900 ',
</B> that it would be physically impossible to carry out the application of the required quantities of chlorine and the elimination of the products when a charge of briquettes or finely ground ore in the normal state of the settlement due to gravity since the required gas flow rates would then be so great that exaggerated pressures would be created in the column and the charge would be forced out of the furnace.
When the Applicant used ores of lower quality than that specified, in which case the chlorine requirements were lower, they encountered still further difficulties, in that the magnesium chloride which melts at 712 and boils at 1412, forms in a liquid state, which not only binds the fine ore particles together, but also covers them with a film of liquid magnesium chloride. In the case of a briquette load, this magnesium chloride penetrates into the briquette by capillary action. This accumulation of magnesium chloride almost completely stops the chlorination action, and very low extractions result.
The Applicant has discovered that chlorine is incapable of penetrating thick layers or clumps of liquid magnesium chloride and that, when this state can exist, no chlorination is practically possible.
The Applicant has discovered that all of these difficulties can be overcome and easy and efficient contact between fine ores and reactive gases in continuous countercurrent shaft furnaces can be achieved by arranging finely ground ore, or mixtures thereof. ore with reagents, in the form of a thin layer or film. This is achieved by depositing the ore on the surface of inert carrier particles, a permeable charge being maintained in the form of a film or semi-permanent coating of clearly controlled or limited thickness.
In the accompanying drawings, FIG. 1 shows relationships which, as the Applicant has discovered, exist between the average particle size, expressed in millimeters, and the extraction in%, in the case of a chromite ore.
Fig. 2 shows relationships between the time required for a complete reaction and the thickness of the ore layer.
Fig. 3 is a schematic view, in partial vertical section, of an apparatus which has been used successfully by the applicant.
Fig. 4 is a diagram showing the temperature at different points along the height of the retort.
Fig. 5 is a diagram showing relationships between temperature and chlorine content of the exhaust gas for two different mines.
Fig. 6 is a diagram showing the relationship between chromium tetrachloride and volatile chromium chloride with excess chlorine.
In developing the present process, the Applicant has studied the effect of the size of the particles of the ore on the extraction by chlorination and sublimation of the aforementioned chromite ore and obtained the results shown in fig. 1. The average size, shown on the y-axis, is the arithmetic mean of the maximum diameters - measured in millimeters - of the particles retained during the sorting between two sieves of: different numbers of meshes.
For example, a material designated as having an average size of 1.24 mm is that which passes through a No. 10 sieve (4 meshes per linear cm) but is retained by a No. 20 sieve (8 meshes per linear cm), then that a material which passes through a No. 200 screen (80 meshes per linear cm) is considered to have an average size of 0.05 mm. The percentage of the chlorinable portion of the ore contemplated which has been extracted by the action of chlorine is plotted on the abscissa.
The curve of FIG. 1 shows that, in order to obtain extractions greater than <B> 90% </B>, it is necessary to use particles smaller than approximately 0.15 mm. The time needed to perform these extractions has not been specified, since, starting with a given amount of ore, the time is determined by the amount of chlorine that must be introduced per unit of time to be just sufficient to satisfy the stoichiometric conditions and the specified excess.
The fact that this quantity of chlorine is supplied quickly or slowly only slightly modifies the slope of the line in fig. 1 and does not influence this finding of the manderesse that a high extraction can only be obtained if all the ore is crushed to pass at least through a 110 100 sieve and, preferably, finely enough to pass through. through a No. 200 sieve. This may seem a surprising result in comparison with various known products obtained in this industry, but it can be explained by the fact that the chlorination action is counterbalanced by the accumulation of non-vaporized chlorides. , especially magnesium.
Thus, in the case of large particles, when a certain degree of reaction has taken place, the accumulation of non-volatile chlorides in the capillary ducts of the ore and on the surface stops the chlorination, while in the case of finer particles, with a greater ratio between surface and mass, a greater degree of chlorination takes place before the proportionate quantity of non-volatile chlorides causes the cessation of the action, resulting in a higher extraction.
Having discovered that high extractions can only be obtained if the minerals have been finely ground, demand has also discovered that if finely ground ore is available on the surface of coarse granular carrier particles, so that When an ore film is exposed to the direct action of the gases, complete chlorination and sublimation can be obtained in a time which is virtually a linear function of the thickness of the film, as shown in fig. 2, on which the thickness in millimeters of the ore layer coating the surface of the support particle has been plotted on the abscissa, and,
on the ordinate, the time in minutes necessary for the complete chlorination of the rai mine, and a practically achievable control process for the chlorination and the sublimation was thus obtained.
Capillary conduits at the surface (the coarse grains constituting the carrier particles remove the non-volatile chlorides darkened from the surface of the ore particles due to the film's containment, thus making possible substantially complete chlorination and sublimation of the volatile constituents. The time required to complete the reaction is then a direct function of the thickness of the film.
To study the chlorination, the aforementioned ore was intimately mixed, after having crushed it to pass through a nc 100 sieve, with 12.25% of its weight of fine carbon (carbon black) and a small amount. of tarry material to act as a binder, and the rri @ Iange was compressed in the form of grains. An attempt has been made to pass these grains continuously through a vertical retort heated to 1100 and to contact these grains with chlorine at various temperatures. Continuous operation of the retort was not possible.
An incipient reaction began at around 600 and some ferric chloride was distilled off. Around 800. the reaction was vigorous, the gas leaving the retort being mainly composed of CO 2; a certain quantity of iron chloride and a little chromic chloride were generated but, very soon after the introduction of the chlorine stream, it became impossible to keep the load moving, and the back pressure prevailing. in the chlorine supply pipe has become excessive. Having opened the retort, the entire column was found to be obstructed by a mass of tightly textured chromic chloride crystals.
It becomes evident that the temperature had been insufficient to volatilize the chromic chloride. The retort was then repaired and the temperature raised to. 900-l000. There was a very strong primary reaction, but the column was blocked in an even shorter time than before. On opening the retort, it was found that it was completely blocked by a mass of chromous chloride. Virtually no chromic chloride had been distilled. Obviously, the difficulty had not been solved by simply raising the temperature to increase the volatility of the chromium chloride.
An extensive laboratory study of the volatility conditions of chromium chlorides revealed the following facts: 111 Chromium chloride (CrCl @) has been found to have a melting point of 815, at which temperature the pressure of vapor is 0.0007 atm. The pressures at 900, 1000 and <B> 1100 '</B> are respectively <I> 0.004, </I> 0.024 and 0.103 atm, and the normal normal boiling point 1302. At temperatures where chlorine begins to react readily with mixtures of carbon and chromite, there is a low, but definite vapor pressure.
It has been found that it is impossible to directly determine the vapor pressure of chromic chloride (CrCl3) because this material has an appreciable dissociation pressure at a temperature as low as 700, with chromous chloride and chlorine as primary products. By indirect methods, it was possible to determine the "thermodynamic" vapor pressures of chromic chloride, as follows: at 600, 0.00007, at 700 <B> 0 </B>, 0.002, at 800, 0.039 and at 900, 0.396 atm. The normal subli mation temperature is 947.
The "thermodynamic vapor pressure" of CrCl 'was determined by measuring the actual volatility at a given temperature and correcting the obtained value for side reactions which cannot be prevented at these temperatures and whose this will be discussed in paragraphs 3 and 4 given below.
It has been found that the volatility of chromic chloride in a chlorine atmosphere is much greater than in an inert atmosphere such as nitrogen. This has been shown to be due to the formation of a new chromium chloride, which had not yet been described in the technical literature, namely chromium tetrachloride (CrCl '). This material only exists as a gas at elevated temperatures and, on cooling, converts back to chromium trichloride and chlorine.
It has been found that the equilibrium constant relating to the reaction
EMI0005.0027
2 <SEP> Crel3 <SEP> -f- <SEP> Cl \ <SEP>> <SEP> 2 <SEP> Crcl4 is: 0.001185 to 600, 0.02922 to 700 and 0.364 to 800. Thus, when the total pressure is 1 atm, the partial pressure of chromium tetrachloride in a chlorine atmosphere is respectively 0.033, 0.157 and 0.448 a.tm at these temperatures.
It was determined that the partial chlorine pressures which would prevent the primary dissociation of chromic chloride, in a condensed CrCl 'containing system, are: 0.00000? at <B> 7 </B> 00, 0.00008 to 800, 0.003 to 900 and 0.043 to <B> 1000 '. </B>
On the basis of these researches and discoveries, the Applicant has established a way of carrying out the process according to the invention which gives satisfactory results and is based on maintaining the following conditions: a) The arrangement of the chromite mixture and carbon in a vertical countercurrent retort is maintained in a physical state which makes it possible to maintain at all times a determined and regulated excess of chlorine. Briefly, it is envisioned, inter alia, to dispose of the finely divided ore in the form of a thin layer or film usually not exceeding 3 mm in thickness.
It is easy to obtain such a layer by coating large-mass carrier particles of the fine ore, which is achieved by applying to the particles, by tumbling, rolling or otherwise, a layer of the ore, as will be described below in more detail.
It will be noted that virtually pure chlorine is admitted to the retort but that, during the reaction, the chlorine is absorbed and carbon dioxide arises according to the well known reactions: 2 Cr @ 03 '-. 3 C + 6 Cl = - 4 CrCl '-j- 3 <B> CO \ </B> or 2 FeO -I- C -f- 3 C12 - 2) FeCf' -I- C02 with analogous reactions for l alumina and magnesia.
The rate of these reactions depends on the physical conditions and the contact temperature and it is preferable to regulate the chlorine flow according to the temperature so that an excess of chlorine corresponding to <B> 10% </ B> of Cl 'in CO' gas remains after the reaction and condensation of the sublimated chlorides. Due to the high rate of reaction at higher temperatures, in the range of 1000 to 1050, this necessary state is achieved in a continuous countercurrent apparatus set up as described below.
In this way, the harmful conversion of chromic chloride to chromous chloride by dissociation is completely prevented at all temperatures suitable for the sublimation of chromium chlorides, the stopping of the gas flow and the passage of the ore by the accumulation is prevented. liquid CrCl 'and at the same time increasing the volatility of chromium chlorides, ensuring that appreciable concentrations of chromium tetrachloride are favored by the partial pressure of chlorine in accordance with the results described in paragraph 3 given upper.
b) Having provided the continuous vertical retort with means for eliminating the gases composed of sublimated chlorides, carbonic anhydride and an excess of chlorine at an intermediate point of the heated zone, the quantity of solids descending is regulated. per unit of time and the application of external or internal heat in such a way that the temperature of the column is maximum at a point situated a little below the aforementioned outlet opening, and in such a way that the latter is not never at a temperature lower than 900. This temperature is slightly higher than that at which the solid chromic chloride is in equilibrium with a partial pressure of about 0.38 atm of gaseous chromic chloride.
The aforementioned dilution of the gas leaving the retort with CO 2 generated by the reaction limits the maximum concentration of the chromic chloride vapor to an amount close to this value. By maintaining this state as specified, all CrCl 'sublimates as it arises, so that clogging of the column with unvaporized chromium chlorides is prevented and chlorination and continuous sublimation are ensured.
In order to understand the conditions a) and b) set out above, additional explanations will be given with reference to the particular conditions which occur when treating an ore of the above composition. Under conditions suitable for the chlorination and sublimation of chromium chlorides, all the oxides of the ore, with the exception of the silica, are chlorinated. The chlorides of iron, chromium and aluminum minium are volatilized, and the chlorides of magnesium and calcium remain as liquids with the solids of the load.
Assuming that the load on the device is 2 kg, the following stoichiometric conditions apply:
EMI0007.0004
Weight <SEP> in <SEP> g <SEP> moiérulcs Constituents <SEP> Weight <SEP> <B><U>0b</U> </B>
<tb> molecular <SEP> (on <SEP> 2000) <SEP> grams
<tb> Cr20 <SEP> 152,02 <SEP> 5 <B> 1 </B>, 6 <SEP> 1032 <SEP> 6.78
<tb> Fe0 <SEP> 71.84 <SEP> 19.6 <SEP> 392 <SEP> 5.48
<tb> SiO2 <SEP> 60.06 <SEP> 5.5 <SEP> 110 <SEP> 1.82
<tb> A120 <SEP> 101.94 <SEP> 11.8 <SEP> 236 <SEP> 2.32
<tb> <B><I>MgO</I> </B> <SEP> 40.32 <SEP> 11.5 <SEP> 230 <SEP> 5.70
<tb> Ca0 <SEP> 56.08 <SEP> 0.8 <SEP> 16 <SEP> 0.28 The quantity of theoretical carbon months used, equivalent to the carbon of the C02 in gendé, is:
EMI0007.0006
For <SEP> <B> the </B>
<tb> constituent <SEP> Quantities <SEP> Totals
<tb> Cr <SEP> 201 <SEP> 1.5 <SEP> X <SEP> 6.78 <SEP> 10.17
<tb> FeO <SEP> 0.5 <SEP> X <SEP> 5.46 <SEP> 2.74
<tb> A1203 <SEP> 1.5 <SEP> X <SEP> 2.32 <SEP> 3.48
<tb> <B> MgO </B> <SEP> 0.5 <SEP> X <SEP> 5.70 <SEP> 2.85
<tb> Cao <SEP> 0.5 <SEP> X <SEP> 0.28 <SEP> <U> 0.14 </U>
<tb> Total: <SEP> 19.38
<tb> equivalent <SEP> to <SEP> 232.3 <SEP> g Similarly, the Cl 'molecules required are:
EMI0007.0007
For <SEP> the
<tb> constituent <SEP> Quantities <SEP> Totals
<tb> Cr-0 <SEP> <B> 3 </B> <SEP> X <SEP> 6.78 <SEP> 20.34
<tb> Fe0 <SEP> 1.5 <SEP> X <SEP> 5.48 <SEP> 8.22
<tb> A.120 <SEP> 3 <SEP> X <SEP> 2.32 <SEP> 6.96
<tb> Mg0 <SEP> 1 <SEP> X <SEP> 5.70 <SEP> 5.70
<tb> Ca0 <SEP> 1 <SEP> X <SEP> 0.28 <SEP> 0.28
<tb> Total:
<SEP> 41.50
<tb> month <SEP> C12 <SEP> or <SEP> 2941 <SEP> g Finally, we will have the volatile chlorides in the proportions of
EMI0007.0009
Constituents <SEP> Mols <SEP> gas
<tb> 2 <SEP> Crcl3 <SEP> 13.56
<tb> 1/2 <SEP> Fe2Ch <SEP> 2.74
<tb> 1 <SEP> A12Cl <SEP> 2.32
<tb> Total <SEP> for <SEP> the <SEP> chlorides <SEP> gas <SEP> 18.62
<tb> C02 <SEP> (see <SEP> plus <SEP> above) <SEP> <U> 19, </U> 38
<tb> Total <SEP> for <SEP> the <SEP> constituents <SEP> gaseous <SEP> 38 It would appear from these figures that if 41.5 months of chlorine were brought into contact with 2000 g of ore from the specified composition, mixed with 232 g of carbon, there should be a complete reaction,
and complete sublimation of chromium chloride whenever the temperature has reached a point where the vapor pressure of this material is greater than
EMI0007.0010
or 0.357 atm. In fact, the Applicant has discovered that this is not the case due to side reactions.
Thus, we first obtain 2 CrCl3 - 2 CrCl = --f- C12 (1) this reaction being followed by: 2 CrClg -f- C12 - 2 CrC14 (2) As reaction (2) uses chlorine, the reaction (1) continues and subsequent reactions continue until a state of equilibrium has been reached.
When this is complete, a considerable portion of the chromium is found to be in the form of @ CrCl2, which is liquid and relatively non-volatile, and this is why the retort becomes clogged and disabled. .
The actual chlorine content of the equilibrium mixture is only a few tenths of a percent in the vicinity of 900 0, but this content is not sufficient, for a satisfactory operation, to maintain a slight excess of chlorine by as a primary addition to the above content since adding any excess chlorine initially only results in increasing the relative amounts <CrCl 'compared to CrCl 'and that this excess used to generate CrCl' does not prevent the formation of CrCl2. This situation emerges from FIG. 6, which shows,
for different temperatures plotted on the abscissa, the relative amounts of CrCl '(ordinate) expressed as a percent of the total amount of volatile chromium chlorides present, when various excess chlorine is added. Each of the curves <I> A, B, C, D, </I> relates to a speci fied amount of Cl = found in the exhaust gas (C02) after the reaction and after cooling and condensation (reaction ( 2) reversed). These curves end at the broken line E which indicates the temperature at which the condensation of CrCl 'begins.
Above and below the temperature at which the normal vapor pressure of CrCf is suitable to ensure complete volatilization of chromium chloride when diluted with the amounts of CO2 generated by the reaction, two different sets of conditions s 'apply the minimum excess of chlorine sufficient to prevent the formation of CrCl2. These groups have been shown in FIG. 5.
In this figure, in which the temperatures are plotted on the abscissa, and the chlorine content of the flowing gas, on the ordinate, curve A indicates the quantity of <B> C12 </B> present in the C02 which escapes when the formation of CrCl2 in the presence of solid CrCl 'is just prevented and the curve B la. quantity of C12 present when the quantity of CrCl 'generated is insufficient to kill the gas phase at temperatures above the normal saturation temperature.
It can be seen that these curves intersect at a temperature just below the normal saturation point for a partial pressure of 0.357 atm and that the locus of the peak corresponds to 5.5% Cl 'in the exhaust gas. Below these curves, chromium chloride arises.
Since, in a continuous countercurrent operation, the chlorine and the mixtures of ore and carbon must necessarily be in contact with. a series of different temperatures, at the working temperature or close to this temperature, it is clear that an excess of chlorine corresponding to at least 5.5% must be used. Confirmation of the amount which should be used in excess is very easy to obtain by an analysis of the exhaust gas after the volatile chlorides have been condensed,
and it has been found that it is not advisable to adopt a value too close to the critical point in practice. It has been found that a safe working limit in the CO2 of the exhaust gas is between 10 and 11%, which leaves a safety margin to account for the inevitable fluctuations that occur under working conditions and in variations in the ore processed. In addition, it is evident that although the critical point is largely determined by the chemical mutual relationships between chromium chlorides, this point also depends to some extent on the composition of the ore being processed.
Thus, to bring out the conditions under which the greatest excess chlorine would be necessary, which would correspond to the most severe working conditions, the upper curves A 'and B' have been drawn in fig. 5 to indicate the limits that occur when chlorinating pure Cr20 'rather than chromite ore. Note that the curves A and A ', which show the conditions limiting the formation of CrCl2 when solid CrCl' is present,
differ only slightly in the case of ore chlorination compared to that of pure Cr20 '. In this case, the partial pressure of CrCl 'in the gas is determined by the vapor pressures of this material, and the variation results from the weak dilution effect of the volatile chlorides and their CO2 equivalent acting on the concentration of the other constituents. , with the exception of CrCl '.
The curves <I> B </I> and <I> B ', </I> which relate to temperatures above the dew points of CrCl', differ to a more appreciable extent, because, in this case, the concentrations are influenced by stoichiometric relationships.
However, it is clear that, whatever the conditions of the chlorination of chromite ores, one could not obtain Cr el concentrations greater than those corresponding to the concentrations equivalent to the action of Cl 'on pure Cr2O3, so that the peak, or 10.7%, can be considered as the upper limit under all working conditions and for all minerals.
As this point must be determined indirectly and is susceptible to a slight error, the value between 10 and <B> 11%, </B> which coincides with the experimental limit found in the actual operation of a retort. continuous chlorination, can be considered as the upper working limit in practice. Thus, while, from the foregoing, it would seem that one can reduce the excess of chlorine by treating an ore poor in Cr203, it would result in this way of proceeding that one would approach a state where the risk of retort stoppage is increased.
This can be explained as follows: the iron contained in chromite is a little easier to chlorinate than chromium, and it is possible to have in a column of moving ore various relations between Crz03 and FeO which correspond to the degree to which chlorination took place, this state of affairs being equivalent to an increase in the CrzO 'content of the ore.
Thus, the only absolutely safe working conditions are those which correspond to pure Cr2O3, given that all real working conditions must necessarily be less severe than in the case of pure material and a Any change of the ore to Cr2O3 as a result of selective chlorination at some intermediate point of the chlorination column cannot require more severe conditions than those relating to Cr203 alone.
Referring now to condition b), it emerges from fig. 6 that the temperature at which condensation takes place is slightly reduced when excess chlorine is used.
It has been found that if care is taken that the temperature of the gas leaving the retort does not drop below 900-920, that is, it is 10-15 above the dew point true when 10 to <B> Il% </B> of chlorine are kept in the residual gas after the condensation of the chlorides if the ore treated is that specified, a continuous process is possible, with a safety margin for the practice needs. There is obviously no exact critical upper limit temperature when using the desired excess of chlorine.
While the vapor of chromic chloride in equilibrium with solid crystals would require approximately 0.01 atm of chlorine to prevent dissociation at the normal point of sublimation (947), dilution of the gas phase with CO2 from the reaction prevents saturation at temperatures above 900-920, resulting in a continuously increasing decrease in excess Cl 'at temperatures above this point.
However, the curves of FIG. 6 show that the amount of CrCl4 decreases with temperature and that, to ensure the benefits of the volatility of this material, it is good not to use temperatures above 1050-1100. These temperatures are also not recommended because of the increased reactivity with the silica contained in the ores and with the walls of the furnace.
If we refer to the stoichiometric quantities indicated above, it is clear that <B> 10% </B> of C12 in the CO 2 of the exhaust gas corresponds to 2.15 mols of C12 for 19, 38 MONTHS of C02, so the total chlorine requirement is 41.5 -f- 2.15 = 43.65 mols, or 1.053 times the theoretical value.
This gives the theoretical basis for adjusting the amount of chlorine introduced, but it is good to periodically check the condition required by an exhaust gas analysis, especially if the composition of the ore changes to a marked extent.
The manner in which these principles may be applied to the continuous countercurrent chlorination of chromite ores will be demonstrated by the following discussion of a particular example: Given a vertical shaft furnace of given dimensions and the usual construction, being able to be a simple vertical cylindrical retort with a gas outlet orifice placed near or below the center of the heated zone, one first determines the size of the large carrier particles which will move from there. in a regular and uninterrupted fashion. through the retort under the action of gravity.
The carrier particles must be large enough to allow the gases rising in the retort to pass easily through the finasse of Ft particles fine enough to descend with a regular movement, as mentioned above. Retorts 5 to 10 cm in diameter usually require particles of 4.7 to 8 mm (the average size; but particles of 9.4 to 12.7 mm can be used in retorts of 15 to 20 cm and, in the case of even larger apparatus, carrier particles of 12.7 to 19 mm of average size can be used Carrier particles of these dimensions have a relatively large mass compared to ore.
The material of which the carrier particles are made can be any refractory inert to the chemical reagents used in the process. The Applicant has used quartz, mullite, coke, carbon and even, in certain cases, the ore particles themselves, these last three refractories falling within the class of materials, inert due to the size of the particles. and the action illustrated in FIG. 1.
Having determined the correct particle size, the resistance offered to the countercurrent flow of gas through the horn when such particles descend through it under the normal action of gravity is measured. By this means, we determine that we can. passing a marked maximum of chlorine (in the particular example considered here) under an appropriate pressure.
In general, it is preferable to work with pressure drops (gauge) not exceeding 50 to 65 cm of water through the retort, because if high pressures or speeds are used, the fine particles of ore likely to be accidentally detached from the film (or supported particles) by movement of the column tend to be expelled from the retort before they can be chlorinated, and even higher pressures may also tend to cause to an exaggerated extent the formation of channels of lesser resistance, so that the gases cease to come fully into contact with the films covering the carrier particles.
Of course, the pressures and flow rates measured will depend on the nature, as well as the size, of the carrier particles as well as, to some extent, on the construction of the furnace or retort. So, for example, in a simple vertical cylindrical retort <B> 5.7 </B> cm in diameter and with a heated zone about 50 cm high, the applicant has found that the upper limit of the desirable flow gas is between 6 and 8 liters per minute, when using quartz carrier particles having an average thickness of 6.3 mm. This is equivalent, from a stoichiometric point of view, to 11-14.8 g per minute of ore of the above composition with an excess of cor rect chlorine.
It is evident that the maximum capacity of a given retort will be determined by the rate at which chlorine can be supplied, provided, however, that it can be ensured that this quantity of ore per unit of time is not greater than the limit corresponding to the rate of the reaction.
To prepare the layer for the carrier particles, the first step is to mix and thoroughly grind the chromite ore with the finely divided carbon. Although the stoichiometric proportions of carbon relative to the ore in question correspond, as explained previously, to 11.6% of the weight of the ore, the Applicant has found that it is preferable to use an excess corresponding to the application of 14.5 to 16% of the weight of the chromite,
in order to ensure a rapid reaction rate under the conditions which prevail when the major part of the chromite has been chlorinated. As stated previously, it is preferable that the size of the ore particles, after grinding, is less than that corresponding to the No. 100 sieve and, preferably, that it is close to that corresponding to the No. 200 sieve.
The finely ground mixture of chromite and carbon is then added to the large carrier particles, having 6.3 mm in this example, at a rate of 100 to 200 g of said mixture per 1000 g of particles and tumbling, rolling or rolling. agitates or otherwise processes the mixture, until the fine particles of carbon-ore adhere to the large carrier particles as a thin, uniform film. This action is promoted by adding, before the stirring action, small amounts of a volatile liquid wetting agent, such as carbon tetrachloride, mineral spirits or even water, for example.
Surface tension and capillary forces then tend to spread the finely ground mixture of ore and carbon very uniformly over the carrier particles. In the case of carrier particles made of quartz or other materials which have been used previously, there are usually small adherent amounts of residual magnesium chloride and, due to the hygroscopic properties of this material, it tends to get wet. slightly and causes adhesion of finely ground ore.
Even in a completely dry state, the cohesive forces are still sufficient to cause the adhesion between the fine particles and the large particles to a sufficient degree to form the desired thin layer on the large particles. The addition of the wetting agent is therefore in no way essential and satisfactory results have been obtained without resorting to it, but it is noted that the presence of this agent facilitates the obtaining of a uniform film and increases the adhesion properties of the film after it has been formed, particularly when small amounts of tarry or wax material are present.
The bulk density of the ground mixture of chromite and carbon is close to 1.15, so that the thickness of the film, when 100 g of said mixture are dispersed on 1000 g of 6.3 mm quartz carrier particles, is close to 0.25 mm, this thickness being about 0.5 mm with the upper limit of 200 g of fines per kilogram of quartz.
Although it is possible to use thicker layers of up to 3mm in thickness, it has generally been found that it is not recommended that the supine quartz particles carry more fines than the corresponding amount. amounting to the amount of magnesium chloride which can normally be removed from the ore by capillary action and surface wetting of quartz particles.
It is preferable that this factor be determined empirically for each ore and each type of support, since the thickness of the film which is suitable for the envisioned needs obviously depends on the percentage of impurities in the ore, as well as on the nature of the surface of the carrier particles.
In the example given, with a combined content of CaO and MgO of 12.3%, the upper limit is close to 125 g of mixture of ore and carbon per kilo of quartz in pieces of 6.3 mm. When carrier particles made of a porous material such as coke are used, the upper limit is raised to a value in the region of 400 g per kilogram of coke, the difference being attributable in part to the lower bulk density of the coke. coke particles and in part to the increased porosity of the latter.
Referring again to fig. 2, we see. that the film thickness of 0.25 to <B> 0.5 </B> mm corresponds to reaction times of 50 seconds to 1.5 minutes for complete chlorination.
The carrier particles containing the thin layer of fine ore are then introduced into the retort, in countercurrent with respect to an ascending stream of chlorine gas, with a flow rate such as the residence time of the carrier particles in the reaction zone (which is the part of the retort below the gas exhaust port and held at 900 and extending downward to the point where the load leaves the heated area and cools rapidly) is a little more greater than the reaction times shown in fig. 2.
Thus, in the particular example of a 57mm retort shown above, one can conveniently and effectively place the gas exhaust port above the lower end of the heated area ( 50 cm high) and a quarter of the height of this zone, so that the reaction zone has a height of 12.5 cm. If the quartz carrier particles are introduced at a rate of 4 to 5 kg per hour, the travel speed will be approximately 5 cm per minute and the residence time in the reaction zone will be slightly more than 2 minutes, which is just above theoretical requirement (0.8 to 1.5 mi nute) based on fi--. 2.
In this way it is possible to effect the contact between the ore and the chlorine in a continuous and countercurrent manner, with a substantially complete distillation of the volatile chlorides and with the regulated chemical conditions which are necessary, such as as we have seen previously, to avoid the formation of lower non-volatile chromium chlorides and by volatilizing large parts of the chromium in the form of chromium tetrachloride.
The carrier particles exiting the bottom or retort outlet contain the unchlorinated residue of the ore, which is primarily composed of silica, and the non-volatile chlorides of lime and magnesia. These are easily removed by washing with water, which also removes the residue of fine silica ore, and the carrier particles are then superficially dried for reuse after re-coating them with fine ore. In some cases, agitation of the particles on a sieve fine enough to retain the quartz support but large enough to pass the residue particles is sufficient to ensure good separation without the need for washing and drying.
The part of the furnace which is located above the gas exhaust port is mainly a preheater. Although the main role of the ore film coating of the carrier particles is to arrange the physical factors in such a way that the reduced chemical conditions can be satisfied and to remove fine particles of the ore, for example. capillary action, liquid non-volatile chlorides which would ordinarily cause chlorination to stop and low extraction rates if they were allowed to accumulate in a load of briquettes or a thick layer of ore,
a certain number of secondary advantages are also achieved which are of great importance for the achievement of a satisfactory continuous process, namely: a) The maintenance of a high relative velocity between the ore particles and the gas, resulting in high diffusion rates of chlorine going to the ore and volatilized chlorides and <B> CO '</B> separating from the ore; b) the application of means to maintain the thermal equilibrium of the system during the chlorination and the sublimation by the use of the sensible heat stored in the carrier particles.
The importance of the first of these advantages is apparent from the following table of the relative densities and diffusion rates of the various gases and vapors in question:
EMI0013.0001
Gas <SEP> or <SEP> vapors <SEP> Density <SEP> <SEP> rate of <SEP> diffusion
<tb> relative <SEP> gases <SEP>
<tb> Air <SEP> 1 <SEP> 1
<tb> Chlorine <SEP> 2.4 <SEP> 0.5
<tb> Carbon dioxide <SEP> <SEP> 1.5 <SEP> 0.8
<tb> Vapor <SEP> of <SEP> ferric chloride <SEP> <SEP> 11.2 <SEP> 0.8
<tb> Vapor <SEP> of <SEP> trichloride <SEP> of <SEP> chromium <SEP> 5.5 <SEP> 0.43
<tb> Steam <SEP> of <SEP> tetrachloride <SEP> of <SEP> chromium <SEP> 6.5 <SEP> 0,
39 The high densities and low relative diffusion rates of many of the vapors and gases involved in the process cause great difficulty in supplying fresh reacting chlorine to the ore particle and, especially, in removing the heavy vapor generated by the ore. chlorination, and this difficulty can only be overcome by ensuring a high relative velocity of the gas with respect to the ore particles and the carrier particles.
If the fine ore were contained only in the interstices which separate larger grains, it would result in such speeds that the fine particles would be expelled from the retort before being chlorinated and would give rise to serious trouble due to the retort. dust, besides that the extraction would be poor.
In a briquette charge, the heavy vapors can only be removed from the interior channels and capillary ducts of the briquette with extreme slowness, resulting in insufficient chlorine and excess chloride vapors, accompanied by the inevitable formation of lower liquid non-volatile chlorides, causing rapid clogging of pores and cessation of chlorination. Thus, it is only by arranging the ore in the form of a thin layer in contact with which the gases can move at high relative speeds that it is possible to work continuously, in counter-current. and with a high extraction rate of volatile chlorides.
Regarding the thermal requirements, it is observed that the chlorination of mixtures of chromite and carbon ore is exothermic if solid or liquid chlorides are formed, and that it is endothermic if the volatile chlorides originate in the form of vapors, since these chlorides have relatively high heat of vaporization.
Thus, unless an adequate supply of readily conductive heat is provided during the chlorination, there will be a great tendency for the formation of solid chromic chloride during the early stages of the countercurrent action. This will jam the load and interrupt the flow of gas and solids.
It is evident that the present process allows most of a retort to be used to preheat the carrier particles and store sensible heat therein which is freely transferred to the ore film by a direct contact transmission during the period. final chlorination below the gas exhaust port.
In this regard, it should be noted that addiop. a small amount of chlorine at the ore inlet end of the retort, together with the ore, helps to ensure that the adhesive character of the film is maintained during the preheating period, since the weak The amounts of non-volatile chlorides thus generated tend to bind the film of fine ore to the carrier particles.
Fig. 3 is a schematic representation of an apparatus which has been used with success by the applicant. In this apparatus, there is provided a vertical tank 6 made of an inert material such as silica, and the applicant has successfully used the material called "Vitreosil". At the upper end of the tank, an ore inlet? allows the introduction of the charge in the form of the aforementioned carrier particles coated with the mixture of ore and coal. A heater, indicated at 8 in the form of an electrical resistance, is placed around part of the intermediate tank of its. height.
The upper part of the tank 6 is extended by a metal extension 32. The joint between the tank and the extension is protected by a cooling water jacket 9 which surrounds it. About <B> 10% </B> of the chlorine is introduced through an intake pipe 11 placed at the top of the tank, the rest being introduced through an intake pipe 12 adjacent to the lower end of the equipment . A thermocouple tube 14 descends inside the tank to a point below the conduit 16 through which the volatilized materials escape. The conduit 16 opens above the lower end of the heating zone, in order to surer the elimination of the volatilized chlorides.
Usually this duct is placed about a quarter of the height of the zone above its lower end, as this has given good results. At the base of the tank is provided another refrigerating section 17 serving to protect the seal between the tank 6 and the metal base structure 33 and to cool the materials which pass through this seal to be evacuated by conveyors 18 arranged in a housing 19 located at the lower part of the. tank.
The volatilized products pass through the exhaust port. 16 in a condenser 21. This condenser is also made of silica (usually vitreosil). The volatilized chlorides are condensed in the condenser 21 and a scraper 22 allows the volatilized chlorides thus condensed on the internal wall of the condenser to be detached from it to fall to the bottom of the equipment on a plate 23 from which they can be removed. using another scraper 24 which brings them into a duct 26. The material collected in the duct 26 is drawn by the scraper 24 into a collector 27.
Non-condensed matter, fine dust, etc. pass into a container 28 in which the gas is filtered through a filter bag 29, usually made of asbestos. A shaker 31 supports the upper end of the bag and the latter is occasionally shaken so that the collected dust falls into the collector <B> 27. </B>
In fig. 4, the temperature scale has been shown opposite the height of the retort, the temperatures expressed in hundreds of degrees being shown on the abscissa. These are the actual temperatures prevailing in all parts of the equipment working under constant conditions.
The present process is not limited to the application of elemental chlorine as a chlorinating agent. Thus, instead of dispersing mixtures of ore and carbon on the surface of carrier particles, it may in some cases be preferable to use only ore as the substance to form the film and to provide the reducing agents. in a gaseous form. For example, the vapors of carbon tetrachloride or other volatile chlorinated hydrocarbons can be substituted for chlorine, since these hydrocarbons provide active chlorine. It is also possible to use other compounds which give active chlorine.
In some cases, it is possible to introduce hydrocarbon gases and chlorine either in the form of mixtures or in alternating positions of the column of the. retort. When hydrogen-containing materials are used in this way, the effluent gases contain hydrochloric acid and water vapor, but the physical principles involved are the same as in the process first described and advantages also important are achieved in operation.