Brevet FR2001293A1 — publié le 19690926

i 2001293 La présente invention a pour objet un mode opératoire du fonctionnement d'un four électrique à fusion. Divers propositions et avis ont été déjà émis par Kelly, Morcrammar et autres sur la manière dont la sole d'un 5 four, les dimensions et positions des électrodes d'un four électrique à fusion doivent être déterminées. On a également proposé d'utiliser du charbon pulvérisé comme agent réducteur et de disposer les électrodes dans la couche de charbon pulvérisé recouvrant la surface du laitier. Suivant ces suggestions, une 10 énergie électrique correspondant à la surface de la sole et une densité de courant dans les électrodes sont adoptées pour déterminer la section des électrodes. Dans tous les cas, l'enceinte de four est circulaire. Le procédé antérieur décrit par les auteurs mentionnés 15 ci-dessus ne convient peut être pas toujours au fonctionnement continu du four et au moment de l'extraction du produit ou du métal (coulée), toute la matière en fusion est évacuée du four et, de ce fait, la matière en fusion contenue dans le four varie largement d'une coulée à la suivante et les conditions 20 normales ne sont pas maintenues. De manière générale, la réaction en fusion est considérée comme la réaction principale ; elle a lieu au contact des matières en fusion et du réducteur à l'état solide et est dite réaction directe. Ainsi, le procédé antérieur suivant 25 lequel toutes les matières fondues sont évacuées du four est de principe difficilement justifiable et il est logique d'admettre qu'à la coulée une partie de celles-ci, supérieure à une limite déterminée, soit conservée dans le four, en contact suffisant avec de la matière réductrice incluse, de manière 30 à poursuivre la réaction. Si donc, le seul métal en fusion produit dans l'intervalle de deux coulées est extrait dans la seconde de celles-ci, la quantité extraite étant inférieure à la quantité de matières fondues restantes, métal et laitier compris, l'état intérieur 35 dans l'enceinte de four n'est pas modifié de manière importante, puisque des conditions de fonctionnement stables sont conservées. La comparaison du cas de l'évacuation sensiblement totale de l'ensemble métal-laitier avec celui dans lequel une BAD ORIGINAL 2 6902295 2001293 quantité déterminée de matières est maintenue comme décrit ci-dessus, fait apparaître des différences notables des dimensions de l'enceinte rapportées à l'énergie électrique utilisée. En effet, dans le procédé suivant lequel une partie du métal 5 en fusion est maintenue continuellement dans la cuve, la couche ainsi constituée s'étend et afin d'éviter une éfosion résultante, la paroi de l'enceinte doit être suffisamment éloignée des positions d'électrodes, la distance étant déterminée sui- • vant la quantité de métal en fusion conservée. 10 La profondeur de cuve est déterminée par les condi tions" d'utilisation des électrodes de Zoderberg, la possibilité de maintenir suivant les règles de sécurité la longueur d'électrode dégagée du porte-électrode et la distance entre l'extrémité d'électrode et le fond de la cuve. 15 Les auteurs déjà cités n'ont pas donné de rensei gnements précis sur ces points, mais il doit être admis que ceux-ci doivent être réglés en fonction de la réaction chimique effectuée dans le four. La demanderesse considère que la principale réac-20 tion en fusion dans le four est une réduction directe effectuée à la surface de contact des matières fondues (laitier) et du réducteur (habituellement du coke) qui est immergé dans celles-ci, les molécules de métal alors libérées sont précipitées séparément dans la couche de métal du fond de cuve 25 et le bouillonnement d'oxyde de carbone dégagé dans cette réaction directe s'élève et traverse la couche de matières premières à partir de la couche en fusion, puis échappe par la surface de la couche solide après avoir effectué un échange de chaleur et une réduction secondaire (ou réduction JO par gaz). Ces échanges de chaleur et réduction secondaire sont particulièrement réalisés lorsque l'oxyde de carbone est en concentration plus grande ou que sa vitesse d'élévation " est plus faible et la couche du mélange de matières premières plus 35 épaisse» La profondeur du four électrique doit donc être* déterminée par l'épaisseur nécessaire de couche en fusion et de couche solide et la longueur d'électrode au-dessous du porte=électrode est déterminée par les conditions énoncées. BAD ORIGINAL 6902295 3 2001293 La longueur d'électrodes ainsi choisie est très supérieure à celles adoptées antérieurement. Par ailleurs, la réduction directe dans la couche de fusion est augmentée avec l'augmentation de la surface de 5 contact entre les matières fondues et la matière réductrice (principalement du coke). Ce résultat peut être obtenu par enfoncement forcé du réducteur dans la couche de fusion sous le poids du mélange de matières premières. La matière réductrice solide est de 10 préférence en morceaux importants, principalement de coke. Dans ces conditions, la température convenable de la masse fondue est obtenue lorsque la quantité de matière réductrice en morceaux dans la matière fondue équilibre les quantités de minerai fondant, etc. contenues, dans celle-ci. 15 Les épaisseurs respectives-des couches de mélange de matières premières, matière fondue et matière fondue mélangée de matière réductrice peuvent être déterminées par les densités du mélange de matières,premières, de la matière fondue et de la matière réductrice. On admet qu'il est avantageux d'agencer 20 la couche de matière fondue de manière à séparer nettement le laitier du produit. D'autres objets et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description qui va suivre d'exemples de réalisation et du dessin annexé sur lequel : 25 - la figure 1 est une coupe axiale schématique de l'enceinte d'un four électrique à fusion, fonctionnant selon l'invention ; - la figure 2 est une coupe axiale schématique d'un exemple de four électrique à fusion fonctionnant selon l'inven- 30 tion ; et - la figure 3 est une vue schématique en plan du four de la figure 2, indiquant la disposition des électrodes et des ouvertures de coulée du laitier et du métal, etc. L'enceinte de four représentée sur la figure 1 indique 35 la disposition des couches superposées de matières traitées : une couche A de mélange de matières premières' solides, une couche B de matières en fusion et d'agent réducteur, une couche C de laitier en fusion et une couche D du produit obtenu en fusion, 1 étant la surface de la couche de matières premières, 2 une 4 6902295 2001293 surface de séparation et 3, 4 les parois du four. Le mélange de matières premières est constitué de minerais, d'agent réducteur en blocs et de matière de constitution du laitier ( un fondant, habituellement calcaire, dolomie 5 ou exceptionnellement silice) } sa densité apparente est déterminée par la proportion de vides ou intervalles résultant des densités respectives, proportions-du mélange et répartition de granulométrie. La densité spécifique de la matière fondue de la couche B 10 est déterminée par la température et la composition et est habituellement supérieure à deux fois la densité (te l'agent réducteur qui est présent dans cette matière. L'incorporation d*un agent réducteur sous forme de blocs dans la matière première composée assure sa pénétration 15 sous le poids de celle-ci exercé sur la partie supérieure de 1 la couche en fusion et les intervalles sont comblés par la matière fondue. La densité de cette dernière étant supérieure à celle de l'agent réducteur, celui-ci est soumis à une poussée hydrostatique, de sorte qu'un équilibre peut être établi entre 20 l'épaisseur de la couche B de matière fondue et agent réducteur, la proportion d'agent réducteur et l'épaisseur A de matières premières. La réaction principale est effectuée dans la couche B qui contient la matière en fusion et l'agent réducteur, c'est-25 à-dire au contact entre cette matière et la surface de cet agent où la réduction directe est produite, libérant des molécules de métal qui s'écoulent de la surface du réducteur et précipitent suivant la loi de Stolce pour former la couche de métal en fusion D du Tond de la cuve. 30 par ailleurs, l'oxyde de carbone dégagé bouillonne vers le haut, est dispersé dans la matière première solide de la GQuche A, cède de la chaleur à celle-ci tout en effectuant une réduction (réduction indirecte) suivant la répartition des températures ; les gaz poursuivent leur montée avec modifi-35 cation de composition et échappent à la surface supérieure de la couche A. La masse de réducteur présente dans la matière en fusion effectue la réduction et est éliminée progressivement 902295 2001293 dans la poursuite de la réaction ; elle est compensée par le rechargement de la couche A en matières premières mélangées. Par ailleurs, la proportion de l'élément spécifique dans la matière en fusiisn est abaissée par la réduction, mais le 5 minerai compris dans la matière première de la couche A descend tout en étant transformé en partie par l'oxyde réducteur et est fondu dans la matière liquéfiée. La proportion d'élément spécifique est ainsi maintenue approximativement à la valeur normale par suite de la température établie. En cours d'opération, la proportion de matière fondue dans le four augmente du fait des impuretés du minerai (gangue) de la matière formant le laitier (fondant) et des cendres incluses dans la réducteur, cependant, une évacuation convenable peut en être effectuée pour permettre le soutirage ou coulée 15 du métal obtenu à partir du four. La quantité de matière fondue accumulée dans le four est ainsi maintenue sensiblement constante. Le four étant conduit de la manière décrite ci-dessus l'épaisseur de chaque couche peut être calculée comme suit : 20 1 - la poussée, exercée sur la masse de réducteur dans la matière en fusion, est donnée par l'expression î Ve (Gs - Gc) dans laquelle Vc est le volume total de matière réductrice, Gc la densité apparente et Gs la densité de la matière liquide 25 2 - le poids de mélange, la densité apparente et le volume occupé par chaque composant, minerai de matièr" première matière réductrice, fondant ou matière de constitution du laitier sont représentés respectivement par : Wo : poids de minerai 30 Wc : poids de matière réductrice Wf : poids de fondant Go : densité apparente du minerai Gc : densité apparente du réducteur Gf : densité apparente du fondant 35 Vo : volume occupé par le minerai Vc : volume occupé par le réducteur Vf : volume occupé par le fondant 6002295 2001293 alors, Wo =« Vo Go Wc a Ve Gc Wf * Vf Gf 5 et on peut écrire : VI (l - vl) = Vo + Vc + Vf = Wo/Go + Wc/Gc + Wf/Gf = Wo (1/Go + Wc/Wo x 1/Gc + Wf/Wo x l/Gf) expression dans laquelle VI est le voluçie total du mélange 10 solide de matières premières chargé et VI, la proportion de vides dans celui-ci. Dans cette formule, Wc/Wo, Wf/Wo sont respectivement les rapports de réducteur et de fondant au minerai et si on les représente par a et b, la formule devient : 15 VI (1 -vl) = Wo (1/Go + a/Go + b/Gf) dans laquelle la partie entre parenthèses du membre de droite représente l'inverse de la densité du mélange de matière première pour la composition voulue de mélange. C'est-à-dire que si GM représente cette densité de mélange 20 1/Go + 1/Gc + l/Gf = 1/GM et VI (1 - vl) = Wo/GM ou encore : Wo = VI (1 - VI) GM. 3 - Pour que la couche A de mélange soit supportée 25 par la poussée du réducteur de la couche B, la relation suivante doit être obtenue : VI (1 - vl) GM = Vc (Gs - Gc) Les surfaces occupées par le mélange de matière première et la matière de fusion sur la même sole de four étant 3^ identiques, la relation précédente est remplacée par : H1 (1 - vl) GM = Hc (Gs - Gc) ainsi * H1 _ Gs - Gc Hc ~ (1 - vl) GM dans laquelle Hl, Hc sont les épaisseurs respectives des couches. 35 Le rapport des épaisseurs des couches A et B peut être calculé ainsi. 6002295 7 2001293 4 - Si la quantité de réducteur diminue au-delà de celle indiquée, l'énergie électrique appliquée étant constante, la fraction qui en est introduite dans la matière en fusion à partir de la couche A du mélange de matière première 5 augmente naturellement et, par suite, la vitesse de fusion du minerai et autres facteurs augmente avec abaissement de la température du bain et, en conséquence, diminution de la réduction directe et retard de la réaction. Inversement si la quantité de réducteur augmente, 10 la matière première de la couche A, immergée dans le bain, diminue en raison de l'augmentation de poussée, avec diminution consécutive de la vitesse de fusion et relèvement de la température. Dans ce cas, la réduction de composants nuisibles est accrue, ou la perte de chaleur augmente. 15 ' De ce qui précède, il apparaît que la quantité de réducteur nécessaire pour déterminer la proportion dans la matière en fusion est la condition essentielle conditionnant la température du four. 5 - Par ailleurs, la quantité de produit fondu ou 20 métal accumulée en couche D au fond du four est maintenue de préférence au taux de production journalière. Cette condition intervient pour diminuer la variation des composants par suite de l'extraction quotidienne et assurer la protection de la garniture du fond de. cuve. 25 La réalisation et la conduite d'un four, nécessaires pour la réaction en fusion, sont clairement dégagées de ce qui précède. La quantité de chaleur est fournie dans un four électrique par l'énergie du courant qui est introduit par les 30 électrodes. Le diamètre de ces électrodes, leur agencement dans le four, etc. doivent donc être déterminés suivant les dimensions de celui-ci et les conditions de température adaptées à la réaction de réduction. La température nécessaire et suffisante doit être choisie de manière à être répartie uniformé-55 ment dans la section autant que possible. Suivant les rapports établis par Morcrammer, Kelly ou Andersen.de la firme Elken Co., l'ensemble de matière en fusion (fondant et produit fondu) est évacué au moment de 02295 2001293 l'extraction du produit ; en conséquence, les valeurs de dimen sions, voltage et intensité de fonctionnement pour une puissance donnée, sont évidemment différentes de celles du dispositif de matières maintenues en place, décrit ci-dessus. 5 C'est-à-dire de manière générale, par comparaison d'un four électrique de même production avec le four fonctionnant selon l'invention, que la surface en plan de celui-ci est plus grande pour une même puissance électrique que celle d'un dispositif classique dont la profondeur est de beaucoup 10 supérieure„ De plus, dans le cas de l'invention, le voltage est augmenté ainsi que la densité de courant dans les électrodes (leur diamètre est accru)» La réalisation de four électrique selon l'invention des figures 2 et 3 comporte les couches successives suivantes 15 la couche de mélange de matières premières A, la oouché comprenant les matières en fusion et le réducteur B, la couche de laitier C, la couche de métal produit D„ Le four comporte des électrodes 10, des éléments de parois 11 et 12 de cuve, des conduits 13 de descente des matières premières, une ouver-20 ture de coulée du laitier 14 et une ouverture de coulée du métal 15 * Dans le fonctionnement selon l'invention de ce four électrique, il est essentiel que les extrémités inférieures d'électrodes soient constamment immergées dans la couche en 25 fusion B comprenant la matière fondue et le réducteur et le courant passe des électrodes vers le fond de la cuve, à travers la matière en cours de fusion (le courant ne doit pas passer à partir des électrodes dans la couche solide A). De cette manière, un courant est établi dans la résistance 30 constituée par une matière réductrice en blocs dont les intervalles sont comblés par la matière fondue et le four de fusion par résistance peut fonctionner. Cet état a été confirmé par l'étude à l'oscillographe de l'onde de courant dans les électrodes. 55 On obtient de plus une plus grande uniformité de répartition de la température du four, en raison de la conduc- 6902295 9 2001293 tivité thermique plus élevée du matériau réducteur sous forme de blocs. Le four de la figure 3 comporte trois électrodes. Mais on peut concevoir un four à surface de cuve élargie, 5 comprenant un nombre d'électrodes supérieur à trois, par exemple multiple de deux ou de trois. Il est évident que cette réalisation ne sort pas du cadre de l'invention. 10 o''02295 2»01293 REVENDICATIONS 1. Procédé de conduite ou fonctionnement d'un four électrique à fusion, caractérisé en ce que les matières en fusion (produit et laitier) sont accumulées et maintenues dans la cuve 5 en quantité suffisante, et qu'au moment de l'extraction (coulée) on n'en évacue qu'une partie de manière que l'état intérieur du four ne varie pas de manière très sensible. 2. Procédé suivant la revendication 1, dans lequel une quantité suffisante de matière réductrice sous forme de blocs 10 est immergée en proportions telles dans lesdites matières en fusion que la couche de mélange de matières premières de la partie supérieure de la cuve est supportée par la poussée hydrostatique de ladite matière réductrice. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, dans lequel 15 les extrémités d'électrodes amenant le courant électrique dans le four sont essentiellement immergées dans lesdites matières en fusion, la chaleur nécessaire étant engendrée par effet Joule dans la résistance constituée par la matière réductrice et les matières en fusion.