Brevet FR2031473A1 — publié le 19701120

La présente invention se réfère au domaine général de la technologie du four à arc électrique, et vise plus spécifiquement un procédé perfectionné pour la fusion de matières en particules; elle concerne particulièrement la récupération de ferro-nickel à 5 partir de minerais nickelifères des types oxydé et silicaté. Dans le texte suivant, on classe les procédés de fusion au four électrique connus permettant la récupération de métaux contenus dans des minerais en trois types généraux appelés le procédé à arc ouvert, le procédé à arc immergé et le procédé à électrode im--jO mergée. On rencontre couramment dans les procédés existants de fusion au four électrique une couche de métal ou de scorie fondus, recouverte par une couche de scories fondues, et des charges électriquement et thermiquement conductrices comportant des proportions importantes de réducteurs conducteurs tels que le carbone, le 15 ferro-silicium etc.., de même qu'il est courant d'opérer avec de faibles tensions et des ampérages élevés, bien que les types de ces différents procédés diffèrent en ce qui concerne la position de l'électrode par rapport à la scorie, le procédé de chargement, la nature de l'arc, la répartition de l'énergie et de la chaleur dans. 20 le four et d'autres caractéristiques. Dans les opérations de traitement de minerais à l'arc ouvert, l'électrode est placée au-dessus du bain fondu, on maintient un arc entre l'électrode et le bain, on charge la matière à traiter d'une manière destinée particulièrement à éviter d'ensevelir l'arc, 25 et la quasi totalité de l'énergie est dissipée dans l'arc. L'un des inconvénients principaux de cette technique est que la voûte et les parois supérieures du four sont exposées au rayonnement direct de l'arc, ce qui a pour conséquence des pertes calorifiques et des dommages causés au revêtement réfractaire du four. On peut com-2o parer les qualités des différentes opérations de fusion au four électrique en se basant sur la consommation d'énergie par unité de poids de charge, c'est-à-dire en KWH/tonne, en se basant sur la densité d'énergie par unité de surface de sole, c'est-à-dire en KW par m , et en se basant sur la production ou quantité produite par 55 le four par unité de surface de sole et par unité de temps, c'est-à-dire en tonnes/m /heure. Dans un procédé à l'arc électrique ouvert pour la fusion de minerai de nickel oxydé, par exemple, la consommation d'énergie est d'environ 750 KWH par tonne, la densité O d'énergie est d'environ 577 KW/m et la production du four est 40 d'environ 0,6 tonne/m2/heure. Ainsi, bien que la densité d'énergie 70 05482 et la production soient relativement élevées, les caractéristiques de perte d'énergie du traitement au four électrique à arc ouvert se traduisent par une consommation d'énergie élevée. Dans la fusion à arc électrique immergé, qui est caractéris-5 tique de certaines opérations de traitement de fonte et de certains procédés de fabrication de ferro-alliages tels que le ferro-sili-eium, l'extrémité de l'électrode est immergée dans la charge qui contient du carbone ou d'autres réducteurs la rendant électriquement conductrice, et pour cette raison une partie du courant passe 10 entre les électrodes à travers la charge proportionnellement à la conductibilité de celle-ci. Un gros inconvénient de la pratique de la fusion à arc immergé est la sensibilité de l'opération aux variations de la conductibilité de la charge provenant par exemple de variations dans les proportions et/ou la distribution des divers 15 types de particules qui constituent la charge. Par exemple, quand la conductibilité de la charge augmente, il faut lever les électrodes pour maintenir la chute de tension et la consommation d'énergie et il en résulte que la zone de réaction se trouve également relevée ce qui fait varier la distribution de chaleur et les gra-20 dients de température dans toute l'étendue du four et peut entraîner des effets nuisibles, par exemple la solidification du bain fondu. Il faut ainsi régler la conductibilité de la charge de façon à réduire les fluctuations et ceci implique à son tour beaucoup d'attention pour la préparation du mélange de charge. De plus, les 25 réactions de fusion produisent des gaz chauds qui sont, pour le moins, difficiles à manier et provoquent souvent des éruptions et des explosions si pour une raison quelconque les gaz ne trouvent pas de passage libre à travers la charge, par exemple s'il y a blocage des espaces interstitiels entre les particules de plus 30 grandes dimensions du fait de particules de petites dimensions.il faut ainsi régler la dimension de particules pour réduire la proportion de fines. Dans certains cas, aussi la fusion et l'agglomération qui se produisent dans la charge et résultent, des réactions de fusion peuvent causer la formation de ponts entre les particu-35 les et il est nécessaire de ringarder ou piquer la charge pour alimenter la zone de réaction. Dans d'autres cas dans lesquels on libère une grande partie de l'énergie dans le bain, il est nécessaire de limiter la densité d'énergie pour ne pas surchauffer le bain, et il en résulte que la production du four est relativement 40 faible. Par exemple, dans un procédé de fusion à l'arc électrique 70 05482 2031473 immergé pour récupérer du ferro-nickel à partir de minerai de nickel oxydé, procédé dans lequel on dissipe dans la scorie à peu près les trois-quartz de la puissance consommée, la consommation de puissance est d'environ 610 KWH par tonne, soit nettement moins 5 que les 750 KWH/t consommés dans l'opération de fusion à l'arc électrique ouvert cité plus haut, mais par con.tre la densité d'é- O nergie n'est que de 113 KW/m et la production du four est par con- O séquent inférieure à 0,235 t/m /heure. Dans le procédé de fusion à électrode immergée, l'extrémité 10 de l'électrode se trouve au-dessous de la surface de la scorie et par conséquent il n'y a pas d'ardu tout au sens habituel du terme. • La matière à fondre est chargée soit latéralement, soit au centre, et la quasi totalité de l'énergie est dissipée dans le bain. L'absence d'un arc relativement résistant empêche le fonctionnement à tension élevée et la pratique des opérations à électrode immergée, de même que les opérations à arc immergé, se caractérisent pour cette raison par des tensions peu élevées et des courants élevés correspondants. Il en résulte que la consommation de puissance doit être limitée sévèrement et/ou il faut prévoir un refroidissement 2o par eau pour réduire l'attaque du réfractaire par la scorie. De plus, étant donné que la transmission de chaleur entre les électrodes et la charge ne s'effectue qu'indirectement par conduction à travers le bain, cette transmission de chaleur se fait très mal et avec un mauvais rendement. La chaleur est ainsi utilisée d'une 25 manière peu efficace et la production du four là aussi est faible, ce qui est généralement vrai de la plupart des procédés connus de fusion au four électrique. Ainsi, les opérations de fusion au four électrique connues, sont en général sujettes aux inconvénients représentés par la limi-30 tation de la puissance consommée et la faiblesse relative de la production du four, soit par une utilisation avec un mauvais rendement de la chaleur produite dans le four, ce qui entraîne une consommation d'énergie élevée, des pertes calorifiques et des dommages au revêtement réfractaire de la voûte et des parois du four. ■55 La Demanderesse a maintenant mis au point un nouveau type de fonctionnement de four à arc électrique, dans lequel on emploie avec un bon rendement la chaleur qui y est produite pour fondre rapidement la charge, ce qui permet d'obtenir des productions de four relativement élevées avec une consommation d'énergie relativement faible par rapport aux procédés existants pour le traitement 70 05482 4 2031473 de matières similaires et permet d'éviter les pertes calorifiques, les dommages au réfractaire et d'une manière générale les autres inconvénients des techniques connues. La présente invention est dé-s ignée dans tout le texte suivant sous le nom de fonctionnement au 5 four à arc protégé pour la distinguer des autres types qui ont été décrits plus haut. Pour les buts de la présente description, les termes particules et matière en particules doivent être entendus comme désignant tous deux des particules individuelles telles que des particules de minerai d'une dimension pouvant s'élever jusqu'à 10 6 ou 12 millimètres environ, et des agglomérats de particules tels que des briquettes, des granulés et des fragments de briquette et de granulés. L'invention consiste essentiellement à mettre la matière en particules sous forme d'un corps s'écoulant librement, pratiquement ■jcj non conducteur au point de vue électrique, à établir un arc entre une électrode réglable verticalement et un bain fondu de matière, à établir une masse de particules autour de l'électrode et de l'arc et en contact avec eux, protégeant ainsi l'arc et établissant ainsi une zone de fusion à haute température qui se trouve confinée et 20 est en contact avec l'arc et autour de celui-ei, à fondre rapidement les particules en contact avec l'arc et à remplacer continuellement la matière fondue par d'autre matière dans la masse précitée, maintenant ainsi le contact de la masse avec l'arc et utilisant efficacement la chaleur de l'arc pour fondre rapidement la 25 matière dans la zone confinée , à enlever la matière fondue du bain et à alimenter en particules fraîches la masse de matière pratiquement à peu près au fur et à mesure que la fusion est réalisée. On règle avantageusement la distribution d'énergie dans le four pour favoriser la dissipation d'énergie et la production de cha-20 leur dans l'arc, de façon à fondre en maintenant un bain fondu relativement peu profond, en maintenant élevée la tension-de l'alimentation en énergie et en réglant l'électrode pour maintenir une résistance élevée, une tension élevée et un arc stable dans lequel la production de chaleur se fait à vitesse élevée et où cette cha-25 leur est utilisée avec un bon rendement pour la fusion, ce qui permet d'obtenir des facteurs de production qu'on n'avait pu atteindre jusqu'à présent. L'invention présente un intérêt particulier pour la récupération de ferro-nickel à partir de minerais nickélifères pré-réduits des types oxydé et silicaté, mais est également applicable à la 70 05482 5 2031473 fusion des minerais, de mélanges de matières métalliques et non métalliques, de fondants et de constituants de scorification, et d'une manière générale de matières en particules telles qu'une masse de ces matières puisse s'écouler librement et ne soit pratique-5 ment pas conductrice électriquement. Sa conséquence, la présente invention se propose de fournir : Principalement, un procédé perfectionné pour la fusion continue de matières en particules dans un four à are électrique. Un procédé perfectionné pour la récupération de ferro-nickel 10 à partir de minerai nickélifère des types oxydé et silicaté. Un procédé de fusion à l'arc électrique dans lequel la puissance dissipée et la chaleur engendrée dans le four sont utilisées efficacement pour la fusion, et où on obtient des productions de four élevées avec une consommation d'énergie relativement faible. \Sy Dans un premier but, l'invention fournit un procédé pour fondre une matière en particules s'écoulant librement et pratiquement non conductrice dans un four à arc électrique contenant un bain fondu de cette matière, et au moins une électrode réglable verticalement disposée au-dessus du bain fondu, procédé qui consiste 20 à. faire éclater un arc entre le bain et l'électrode, à alimenter la matière en particules dans le four de telle façon qu'une masse de ces particules entoure l'électrode et l'arc, protégeant ainsi l'arc et établissant une zone de fusion confinée à haute température au voisinage de l'arc, à faire couler continuellement la matière en 25 particules au travers de la zone de fusion à haute température de façon que les particules fondent et s'écoulent dans le bain fondu, et à enlever du bain là matière fondue. D'autres buts et aspects, de l'invention ressortiront à la lecture de la description détaillée suivante considérée en liaison avec 30 les dessins annexés, représentant à titre illustratif mais nullement limitatif, un mode de réalisation de l'invention. Sur les dessins : La figuré 1 est une vue schématique, en coupe, en élévation, d'un four à arc électrique et d'une électrode intérieure, et montre les caractéristiques principales de l'invention appliquées à la ré-35 cupération de ferro-nickel à partir de minerais nickélifères des types oxydé et silicaté; et la figure 2 est un graphique montrant la relation entre la tension de phase et la puissance totale du four dans des conditions spécifiques exposées dans des conditions particulières. En se référant d'abord à la figure 1, on y a réprésenté un four 70 05482 6 2031473 dans lequel on peut mettre en oeuvre le procédé de l'invention, et ce four comporte des parois 10 revêtues de réfractaire, une sole 11, une voûte 12. Une couche de ferro-nickel fondu 13 recouverte par une couche de scorie fondue 14 repose sur la sole 11. Une élec-5 trode 15 en carbone, réglable verticalement, passe à travers la voûte 12 et est disposée au-dessus de la scorie 14, tandis que la voûte contient des ouvertures de chargement 16 permettant d'alimenter le four en particules de minerai nickelifère préalablement réduit des types oxydé et silicaté. Pendant le fonctionnement, on 10 établit un arc 17 entre l'électrode et la scorie, on fournit par les ouvertures 16-, les particules nickélifères, préalablement réduites,sous une atmosphère neutre ou protectrice, et on réalise une masse de particules 18 qui entoure l'électrode et l'arc et est en contact avec eux. Les particules s'écoulent librement vers l'arc 15 et fondent à son contact, pratiquement sans production de gaz, et sont continuellement. remplacées par d'autres particules dans la masse. La masse est ainsi maintenue en contact avec l'arc et la chaleur engendrée dans la masse est consommée continuellement par la fusion ce qui limite une zone de fusion d'arc protégé en contact 20 avec l'arc, tout autour de celui-ci. L'étendue de cette zone dépend d'un certain nombre de facteurs, tels que la vitesse de production de chaleur dans l'arc .et la chaleur spécifique des particules, leur point de fusion, leur conductibilité thermique, la vitesse de déplacement des particules vers l'arc, facteurs qui affectent tous 25 le gradient de température dans l'étendue de la masse. Par définition, la zone de fusion et la zone dans laquelle la température régnante est égale ou supérieure au point de fusion des particules et qui est limitée, selon la pratique de l'invention, a une région relativement restreinte en contact avec l'arc et autour de celui-ci 30 comme il est suggéré par la limite 19:. Du fait de la médiocre conductibilité électrique et thermique des particules et du contact continuel de la masse de particules et de l'arc, le gradient de température s'abaisse brusquement dans la masse de particules quand on s'écarte de l'arc et il en résulte que des accrochages 20 35 de scorie solidifiée et de particules non fondues se forment sur les parois du four et s'étendent vers l'électrode en formant comme des protubérances supportant des particules statiques 21. Plus les gradients de température sont élevés, et plus les protubérances sont étendues et plus la proportion de particules qui peuvent pénétrer dans la couche de scorie sans passer à travers la zone de 40 70 05482 7 2031473 fusion d'arc protégé est faible. Une colonne de particules atteint la couche de scorie comme le montre la figure 1, mais étant donné que les températures dans la scorie sont plus basses que les températures dans l'arc, il est bien évident que la fusion des particules 5 par dissolution de celles-ci dans la scorie se fait plus lentement que la fusion des particules dans la zone de fusion à l'arc qui est plus chaude et se trouve au-dessus de la scorie. Ainsi, les particules s'écoulent plus rapidement dans la zone de l'arc que dans la scorie et ce fait diminue encore la proportion de particules 10 qui fondent dans la scorie. Cet écoulement différentiel est indiqué » par les longueurs des flèches 22 - 23, qui montrent également la direction de l'écoulement, dirigé vers le bas et vers l'intérieur, le long du plan formé par le dépôt naturel des particules qui est indiqué par les lignes en tirets 24. Le ferro-nickel. et la scorie 15 formés par fusion des particules s'écoule dans la couche de scorie et le ferro-nickel se dépose dans la couche de ferro-nickel. On enlève le ferro-nickel et la scorie de leurs couches respectives, mais étant donné que le rapport en volume de la production de scorie par rapport au métal est d'environ 50 pour 1, on ne soutire 20 que peu fréquemment le ferro-nickel tandis qu'on écume la scorie à intervalles relativement fréquents si ce n'est pas continuellement. A mesure que la fusion se produit, on alimente en particules nouvelles pour maintenir la masse 18. Lorsque la scorie est soutirée de. façon intermittente, le niveau de la scorie s'élève comme 25 l'indique la ligne pointillée 25, et on relève l'électrode 15 de manière correspondante pour maintenir l'arc 17- La spécialiste de la technique des arcs électriques, se rendra compte que le fait de protéger l'arc, en l'entourant continuellement par des particules s'écoulant librement non seulement 30 entraîne une utilisation plus efficace de la chaleur pour la fusion en éliminant les pertes par rayonnement, mais"encore permet l'obtention dans la zone de fusion de températures plus élevées que celles qu'on peut obtenir avec des arcs ouverts. Il y a une plus grande proportion de l'énergie électrique fournie qui est, pour 35 cette raison, utilisée sous forme de chaleur pour réaliser la fusion, et cette chaleur est fournie à des températures plus élevées ce qui entraîne des vitesses de fusion plus rapides et des productions de four plus grandes par rapport aux consommations d'énergie courantes dans les procédés de fusion au four électrique connus. 40 En outre, la fourniture régulière de particules à la zone de fusion 70 05482 8 2031473 permet de réaliser une source de chaleur ininterrompue ce qui garantit une consommation de chaleur pour la fusion dans des conditions contrôlées et évite les élévations de température et de pression rapides et non contrôlées ainsi que les éruptions dange-5 reuses qui se produisent dans certaines opérations de fusion au four électrique, lorsque la charge ne s'écoule pas continuellement à travers la zone de réaction. On utilise ainsi efficacement la chaleur engendrée dans l'arc pour effectuer rapidement la fusion à des températures éle-10 vées, mais contrôlées, ce qui permet d'obtenir des productions élevées par four et en même temps d'éviter le gaspillage de chaleur et 1 ' endommagement des ré frac taire s., qui sont courants dans les opérations actuellement en usage. En outre, la répartition de la puissance entre l'arc et le bain fondu- est, conformément à l'in-15 vention, contrôlée pour favoriser la production de chaleur dans l'arc pour réaliser la fusion, ce qui est avantageux. La puissance est dissipée dans l'arc et dans le bain proportionnellement à leurs résistances électriques. Ainsi, pour chaque phase et en supposant que le facteur de puissance a la valeur 1, on a : 20 PA _RA PB (1) où P^ = puissance dissipée dans l'arc, Pg = puissance dissipée dans le bain, R^ = résistance de l'arc, 25 Rg = résistance du bain, on a également : v 2 P - T (2) T " Rt où PT = puissance d'une phase VT = tension d'une phase Rt = résistance d'une phase on a en outre : RT = RA + *13 (3) 35 c'est pourquoi en substituant (3) dans (2) et (2) dans (1) on obtient : P V 2 A T - 1 (4) 30 40 P B PTRB 70 05482 9 2031473 il est évident d'après l'équation (4) que pour fonctionner avec le rapport PA/PB le Plus élevé qui soit compatible avec une dissipation adéquate d'énergie dans le bain pour maintenir les températures du bain, il est nécessaire d'avoir la tension la plus 5 élevée possible et de diminuer la résistance du bain» Ainsi, par contraste avec les opérations de fusion au four électrique connues le procédé selon l'invention est caractérisé par des tensions relativement élevées et des courants correspaa dants relativement faibles. Cette caractéristique est illustrée par la figure 2 qui 10 montre la tension de phase en fonction de la consommation totale de puissancfe du four pour différentes valeurs du rapport dans un four à six électrodes en aérie, à trois phases simples, dans lesquelles la résistance du bain par phase est de 0,020 ohm et où le facteur de puissance est égal à 1. Ainsi, quand on désire ^5 par exemple, une puissance totale au four de 40 000 KW et un rapport PA/pB égal à 2, on met en oeuvre le procédé avec une tension de phase de 900 volts qui est nettement supérieure aux tensions caractéristiques des opérations de fusion actuellement pratiquées. L'influence de la dimension du four est également clairement démon-20 trée. Par exemple, dans un four pilote relativement petit à six électrodes en série, que l'oETTeut faire fonctionner avec une consommation de puissance de 2 000 KW par phase ou une consommation totale du four de 6 000 KW, l'indication de la figure 2 montre qu'on obtient un rapport PA/PB égal à 2 pour une tension d'environ 25 350 volts par phase. En fait, on fait fonctionner un tel four à une tension beaucoup plus élevée, d'environ 450 volts par phase, parce que au niveau de puissance moins élevé la résistance du bain par phase est supérieure à la valeur de 0,020 ohm sur laquelle est basée la figure 2. Ainsi, même dans des fours pilotes relativement 30 petits fonctionnant selon la pratique de l'invention, les tensions sont inhabituellement élevées par rapport aux opérations connues de fusion au four électrique pour le traitement de minerais,de concentrés et de matières analogues. Etant donné que la résistance du bain augmente avec la 35 profondeur du bain, on maintient le bain aussi peu profond que possible conformément aux enseignements de la présente inventicn . Dans le cas présent, le bain est composé d'une couche de ferro-nickel fondu surmonté par une couche de scorie fondue hautement résistante, et pour cette raison la résistance du bain est essen-tiellement la résistance de la scorie et est déterminée principa 70 05482 10 2031473 lement par l'épaisseur de la couche de scorie. L'épaisseur minimum de couche de scorie est limitée par des considérations mécaniques suivant le moyen employé pour enlever la scorie du four, et cette épaisseur minimum est d'environ J>0 cm. En d'autres termes, l'épais-5 seur minimum de la couche de scorie est limitée par le dessin du four. Les trous de coulée pour la scorie et le métal sont placés à des niveaux particuliers dans les parois du four et on peut maintenir l'épaisseur de la couche de scorie constante.et égale à la valeur minimum en soutirant en permanence. Bien entendu on ^ q peut également ringarder à intervalles la couche de scorie et, dans ce cas, l'épaisseur de la couche de scorie variera, mais la variation correspondante de la résistance est proportionnellement inférieure à celle de l'épaisseur de la couche de scorie parce que la résistance de la scorie, telle qu'elle est mesurée, comprend des résistances de contact qui sont quasiment indépendantes de ^ l'épaisseur de la couche de scorie. En outre, on a reconnu que l'effet de l'épaisseur de la couche de scorie sur la résistance de la scorie diminue à mesure que l'épaisseur de la couche de scorie augmente, toutes autres conditions restant constantes. Le tableau I ci-après illustre ce qui précède dans le cas d'un fonctionnement de four pi ote de 2 000 KW par phase avec des électrodes d'un diamètre de 45 cm espacées d'environ 1,20m et en contact avec la surface de la scorie. TABLEAU I 25 Effet de l'épaisseur de la couche de scorie sur la résistance de la couche Epaisseur de la couche Résistance de la couche de de scorie en cm. scorie en ohm 0,020 0,028 0,032 0,033 0, 034 Il est donc clair que au-delà de l'épaisseur minimum d'environ 30 cm la résistance de la couche de scorie n'augmente que peu 55 quand l'épaisseur augmente. Pour cette raison lorsqu'on augmente la tension de phase pour une puissance consommée constante, l'augmentation correspondante de la résistance par phase découlant de l'équation (2), se produit principalement dans l'arc et est réalisée en relevant l'é- 40 lectrode et en allongeant ainsi l'arc. Il en résulte que le rapport 30 10 20 30 40 50 70 05482 11 2031473 PA/PB est augmenté comme l'indique l'équation (4) et le représente la figure 2. Dans de telles conditions, l'intensité diminue, bien entendu, et pour cette raison la chute de tension à travers la scorie diminue. Il en résulte que la tension de l'arc est augmentée 5 en conséquence, ce qui contribue à l'augmentation du rapport P^/Pg Pour cette raison, on choisit et on règle l'une par rapport à l'autre la prise de tension dans la source d'alimentation et la longueur de l'arc afin d'assurer un fonctionnement stable à la tension maximum. Les seules limitations à la tension sont en pratique 10 les limitations dUes aux circuits électriques et les conditions exigées pour'la stabilité de l'arc. On ne peut pas allonger indéfiniment les arcs à une tension donnée quelconque sans qu'ils deviennent instables et perdent leur capacité de transporter du courant. Il y a ainsi une longueur d'arc efficace maximum pour une tension 15 donnée et la tension maximum est à son tour limitée par l'équipement électrique. Donc, en résumé, on maintient la couche de scorie aussi peu épaisse que possible, nécessitant par là même qu'on y dissipe le moins de puissance possible pour maintenir les températures dési-20 rées de la scorie et du métal, et on règle la tension et la longueur de l'arc par rapport à la puissance consommée résultante de façon que la puissance dissipée effectivement dans la scorie soit à la fois suffisante pour maintenir la plus grande partie de la scorie et du métal à des températures, permettant la coulée et soit 25 en même temps de préférence Insuffisante pour permettre à la scorie fondue d'entrer en contact avec les parois réfractaires du four. Les gradients de température sont tels que les parois sont protégées par une couehe de scorie solidifiée ce qui empêche l'érosion sans qu'il soit nécessaire de recourir au refroidissement par eau. 30 On évite pour cette raison les pertes calorifiques, et en même temps on dissipe la plus grande partie de l'énergie dans l'arc, pour y produire de la chaleur, chaleur qui est utilisée avec un bon rendement pour la fusion rapide de particules à des températures élevées dans la zone de fusion d'arc protégé. 35 Comme le montre l'équation (2), la puissance consommée est déterminée par la tension de la source d'alimentation et par la résistance du four, c'est-à-dire par la somme des résistances de l'arc et du bain. Etant donné qu'il y a au moins autant d'énergie dissipée dans l'arc que dans le bain selon la pratique de l'inven-40 tion, il est évident que la résistance totale doit être au moins 70 05482 12 2031473 égale à deux fois la résistance du bain. Des résistances de bains qu'on peut considérer comme indiquant des scories extrêmement résistantes sont comprises dans la gamme allant d'au moins environ 0,01 à 0,04 ohm, et dépendent dans une certaine mesure de la diaen-5 sion du four.Autrement dit une résistance de bain de 0,035 ohm dans un petit four de quelques milliers de KW pourrait correspondre à une résistance de 0,015 ou 0,020 ohm seulement dans un four de plus grande taille, par exemple de 40 000 KW, ceci résultant de l'effet du plus grand diamètre des électrodes et du niveau de. 10 puissance plus élevé qui fait diminuer la résistance effective de la scorie. Ainsi, dans un petit four monophasé dans lequel la résistance du bain est de 0,035 ohm par exemple, la résistance totale serait d'au moins 0,07 ohm et la tension nécessaire pour produire par exemple 2 000 KW devrait être d'au moins 375 volts 15 environ, calculés d'après l'équation (2), et serait d'autant plus élevée que la proportion de puissance dissipée dans l'arc serait plus grande comme le montre la figure 2. Dans un four triphasé relativement grand, d'un autre côté, dans lequel la résistance du bain est par exemple de 0,020 ohm, la résistance totale est d'au 20 moins 0,04 ohm et la tension pour produire par exemple 15 000 KW par phase est d'au moins environ 775 volts, tension de phase.Pour dissiper deux fois plus de puissance dans l'arc que dans le bain on relève l^électrode, on allonge l'arc pour augmenter la résistance de l'arc jusqu'à 0,04 ohm et on augmente la tension de la 25 source d'alimentation en énergie jusqu'à environ 950 volts. De telles tensions élevées sont jusqu'à présent inconnues dans la technique de la pratique de la fusion à l'arc électrique et sont rendues possibles par la présente invention parce que l'arc est protégé et est en contact sensiblement continu avec la 30 charge électriquement non conductrice qui s'écoule librement et que la répartition de puissance est réglée de façon à limiter la dissipation de la puissance de la scorie, et à éviter la surchauffe^ la plus grande partie de la puissance étant libérée dans l'arc. Dans ces conditions, on fournit au four des puissances à consommer 35 relativement importantes, et la chaleur produite dans l'arc est consommée efficacement pour une fusion rapide de la charge dans la zone confinée de fusion d'arc protégé, en contact avec l*'arc et autour de celui-ci. La source de chaleur Ininterrompue constituée par la charge s'écoulant librement assure la consommation de la 40 grande production de chaleur par l'arc à mesure qu'elle est engen- 70 05482 13 2031473 drée par celui-ci , ce qui non seulement a pour résultat des vitesses de fusion élevées et des productions de four élevées,mais encore empêche en même temps l'augmentation rapide, incontrôlée et dangereuse de la température qui se produirait si l'écoulement de 5 la charge était interrompu. Dans l'ensemble des conditions présentes, les particules que l'on fond sont considérées comme s'écoulant librement si la masse de ces particules est en contact sensiblement' continu avec l'arc. Il est raisonnable de prévoir que, à mesure que les particu-les commencent à fondre, il pourrait se produire de temps en temps des formations de ponts ou de croûtes au voisinage des extrémités extérieures de la zone de fusion, mais le mouvement descendant des particules est maintenu par le poids de la masse elle-même. Les particules fondent avantageusement dans un intervalle de température relativement étroit dans la zone de fusion qui est bien définie 15 tandis que la fusion et le frittage qui se produisent à l'extérieur de cette zone sont insuffisants pour empêcher un mouvement descendant sensiblement continu de la masse de particules et sans contact avec l'arc. Le terme "pratiquement non conductrice électriquement" entend . simplement signifier que les propriétés électriques de la masse de. particules sont telles que la puissance est dissipée dans l'arc et le bain fondu, sans qu'il y ait pratiquement de court-circuitage dérivant la puissance entre les électrodes au travers 25 de la masse de particules.Ainsi, les particules individuelles dans la masse de particules peuvent différer largement par leurs conductibilités électriques tant que l'ensemble de la masse est pratiquement non conducteur. La- matière réduite décrite ci-dessus, par exemple, contient des particules métalliques qui sont très conduc-30 trices électriquement mais il y a une proportion beaucoup plus grande de particules scorifiantes qui ne sont pas conductrices, et la conductibilité électrique totale d'une masse de ces particules est pour cette raison négligeable. Bien que cette masse doive être fondue sans qu'il y ait addition de carbone, on doit bien comprendre qu'on peut ajouter du carbone si on le désire tant que la masse 55 résultante reste sensiblement non conductrice. Ce qu'il faut- éviter, c'est une série continue de particules électriquement conductrices en contact avec les électrodes, dans laquelle le courant puisse s'écouler en traversant la charge solide. Les minerais, les concentrés, les fondants et les corps 40 70 05482 14 2031473 analogues qui sont pratiquement non conducteurs électriquement sont également de médiocres conducteurs thermiques et ceci est particulièrement vrai en ce qui concerne une masse de ces substances sous forme de particules, étant donné que la conduction de la chaleur 5 dépend de contacts ponctuels entre des particules quelles que soient leurs conductibilités thermiques individuelles. Des matières poreuses telles que les briquettes, les granulés et les fragments de briquettes ou de granulés sont donc particulièrement souhaitables comme c'est le cas avec le minerai nickélifère réduit décrit plus 10 haut. Le terme "neutre ou protecteur" appliqué aux atmosphères sous lesquelles doivent être traités les minerais nickélifères réduits décrits, désigne des atmosphères dans lesquelles il ne s'effectue pratiquement pas d'oxydation ni de réduction du minerai. 15 Les termes employés dans le présent texte pour décrire les propriétés nécessaires d'une masse de matières en particules à fondre conformément à la présente invention, ayant ét^Ôéfinis et expliqués, on se rend compte que l'invention est applicable non seulement au minerai nickélifère préalablement réduit décrit, mais aussi 20 à d'autres matières. On peut fondre avantageusement les minerais non oxydés de nickel/réduits sous forme agglomérée anhydre et dans des conditions oxydantes, pour empêcher des réactions de réduction qui pourraient provoquer le frittage et supprimer la nature de libre écoulement des particules de minerai n'ayant pas réagi. On peut 25 également appliquer le procédé à la récupération de métal à partir de particules contenant des parties métalliques qui, considérées en bloc comme une masse, sont électriquement conductrices,s'il y a dans la&asse suffisamment de particules scorifiantes non conductrices pour que la masse devienne non conductrice. Ainsi des parti-30 cules de concentrés de minerais, qui sous forme réduite contiennent suffisamment de métal pour qu'une masse de particules soit conductrice, peuvent selon l'invention être avantageusement fondues sous une atmosphère protectrice en présence de particules scorifiantes choisies qui servant également à régler la composition du métal 35 produit résultant. Des particules scorifiantes s'écoulant librement et non conductrices , mélangées avec des particules métalliques, peuvent être également fondues pour elles-mêmes si on le désire, bien que la meilleure application du procédé soit la récupération de métaux. à partir de minerais, de concentrés, etc.. 40 On décrira maintenant le processus à suivre pour démarrer 70 05482 15 2031473 le fonctionnement d'un four selon l'invention afin de mettre encore davantage l'accent sur les caractéristiques de ladite invention. Par exemple dançle traitement de minerais oxydés de nickel pour la récupération de nickel sous forme de ferro-nickel, on réduit préa-5 lablement le minerai comme on l'a décrit plus haut, ce qui évite d'avoir à ajouter du carbone ou d'autres réducteurs quelconques électriquement conducteurs au minerai.dans le four électrique, et permet ainsi de rendre le minerai électriquement non conducteur. On établit dans le four une couche de fer ou de ferro-nickel fondu 10 recouverte par une couche de scorie fondue, en opérant de manière appropriée splon la pratique courante du travail au four électrique avec une tension relativement faible et une puissance consommée relativement faible. On pourrait continuer les opérations selon la pratique connue, en ayant l'extrémité de l'électrode immergée 15 dans la scorie ou légèrement au-dessus, de la manière exposée à titre d'exemple dans l'exemple 2 suivant. Toutefois, on peut par une séquence de stades opératoires amener le four à un niveau de performance beaucoup plus élevé conformément à la description et aux avantages de la présente invention qu'illustre l'exemple 1. 20 Le premier stade consiste à s'assurer que le.bain de scorie y compris la région entourant l'extrémité de l'électrode est recouvert par une charge du genre décrit. On relève alors l'électrode d'une faible distance au-dessus de la scorie et on règle simultanément la tension pour établir et maintenir un arc stable dans les 25 nouvelles conditions, avec une longueur d'arc plus grande, une résistance plus grande et une consommation d'énergie plus grande. On fournit du minerai préréduit au four tout autour de l'arc pour consommer la chaleur supplémentaire produite dans l'arc et on relève à nouveau la tension de la source d'alimentation en énergie pour 30 stabiliser l'arc et augmenter encore la puissance consommée. On augmente la longueur de l'arc et la tension en proportion l'une par rapport à l'autre afin de maintenir l'arc stable au fur et à mesure de la production de chaleur dans l'arc, et on augmente régulièrement la vitesse d'addition de minerai dans le four au-dessus de 35 la vitesse de fusion, pour former de cette manière une masse importante de minerai autour de l'électrode et en contact avec celle-ci ainsi qu'avec l'arc et en protégeant efficacement l'arc. Du fait que le minerai est pratiquement non conducteur électriquement, il n'y a pratiquement pas d'énergie qui soit dissipée dans le minerai et il s'établit ainsi une zone confinée en contact avec l'arc et 70 05482 16 2031473 autour de l'arc, zone dans laquelle la fusion s'effectue avec un bon rendement par le rayonnement émanant de 11 arc protégé. La matière fondue est continuellement remplacée par d'autre matière s'écoulant librement dans la masse ce qui maintient ladite masse 5 sous forme d'une source de chaleur ininterrompue en contact avec l'arc, maintient la zone de fusion confinée et réalise la fusion à des températures supérieures à celles régnant avec des arcs ouverts mais inférieures aux températures non contrôlées et excessivement élevées qui s'établissent parfois dans des fours de fusion 10 à arc immergé existants, lorsque la charge cesse de couler. La tension de la source d'alimentation en énergie est finalement augmentée au-delà de celle qui serait possible si la charge était électriquement conductrice et avec la résistance d'arc fort élevée qui/correspond, les vitesses de dissipation d'énergie et de produe™ 15 tion de chaleur dans l'arc sont de même relativement élevées. La matière fondue est retirée du four et on règle avantageusement l'épaisseur de la couche de scories à la valeur minimum, réduisant de cette manière non seulement la quantité de chaleur nécessaire pour maintenir à température convenable la scorie et le ferro-nie--20 kel, mais aussi la proportion de la puissance totale consommée qui est dissipée dans la scorie. Ainsi, on dissipe une proportion d'énergie aussi grande que possible dans l'arc protégé et la vitesse résultante de production de chaleur est si élevée que les productions de four résultant d'une utilisation efficace de cette 25 chaleur pour la fusion selon la présente invention, sont supérieures à celles qu'on obtenait jusqu'à présent. Les exemples suivants servent à mettre en évidence les avantages.de l'invention. Exemple 1. 30 On a équipé un four à arc électrique monophasé fermée revêtu de réfractaire, ayant comme dimensions intérieures: environ 3,66 mètres de long, 2,28 mètres de large, et 2,14 mètres de prc= fondeur, avec./ deux électrodes d'un diamètre de 4-5 cm et espacées l'une àe l'autre d'environ 1,20 mètre. On a disposé un trou de 35 coulée de métal à une extrémité du four à la surface de la scie et on disposé deux trous de coulée de scorie à l'autre extrémité du four, à 42 cm au-dessus de la sole. La charge était constituée de minerai nickélifère réduit provenant du procédé au four à cuve décrit dans la demande de 4-0 brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 747 144 du 24 Juillet 1963 SAD OSIGJMAL 70 05482 17 2031473 déposée par Frederick R.Arcfribald, et. dont la dimension de particules était composée pour 50# de particules comprises entre 25,4 et 50,8 millimètres, et pour 50# de particules de dimensions comprises entre 6,35 et 25,4 millimètres, ayant une den-5 sité apparente d'environ 1 280 kg par n? et répondant à l'analyse chimique suivante en % en poids: Fe Ni MgO SiOc Ç S 20,0 1,88 29 30 0,03 0,01 Cette matière poreuse médiocrement conductrice et s'écoulant li-10 "brement, a é,té alimentée à une température comprise entre environ 750 et 800°C sous l'atmosphère protectrice du four à cuve, à travers la voûte du four, et a été empilée autour des électrodes et contre celles-ci de façon à maintenir une épaisseur de matière d'environ 1,50 mètre. Après formation d'une couche de ferro-nickel .fondu surmontée d'une couche de scorie fondue, on a étatli des I conditions régulières de fonctionnement à une tension de phase de 440 Volts et avec une longueur d'arc d'environ J,6 cm, ce qui avait comme résultat une consommation de puissance de 2 000 KW pour 4 600 Ampères, avec un facteur de puissance de 0,99. On a coulé la scorie par les trous de coulée de scorie d'une manière 20 intermittente à une température d environ 1 650° C et avec un débit global d'environ 4 tonnes/heure, tandis qu'on a coulé du ferro-nickel qui s'accumulait avec un débit inférieur au 50ème du débit de production de scorie en volume, à une température d'environ 25 1 530°C, et selon la nécessité. L'épaisseur de la couche de scorie variait entre 31 et 51 cm, tandis qu^LJépaisseur du bain de ferro-nickel était sensiblement constante et égale à environ 10 cm. La composition de ferro-nickel .produit était en % en poids : FeNiÇoSÇ si Mn 1 Çr ' " 30 56,4 42,2 1,0 0,04 0,007 0,01 0,0007 0,01 0,007 Après avoir fonctionné de cette manière pendant une période de plusieurs semaines, on a interrompu l'alimentation en énergie électrique, on a vidangé les couches de scorie fondue et de métal fondu, on a laissé le four se refroidir, puis on l'a ouvert pour 35 l'examiner. Des accrochages de scorie solidifiée et de charge non / fondue étaient suspendus aux parois du four et les parois étaient couvertes par une couche de scorie solidifiée comme le montre la figure 1. On n'a pratiquement pas noté d'érosion des parois ré-fractaires, sauf autour des trous de coulée de scorie, en dépit du fait qu'on n'avait pas pratiqué de refroidissement de l'envelop- 40 70 05482 18 2031473 10 pe du four par de l'eau ou n'importe quel'autre moyen spécial, sauf autour des trous de coulée de scorie qui étaient refroidis à l'eau, et on n'a pas noté de dommages au revêtement réfractaire de la voûte du four. Les électrodes, avec une consommation négligeable d'environ 1 kg par tonne de charge, étaient à peine amincies au bout et présentaient des concavités régulières en travers de leurs extrémités inférieures comme le montre la figure 1. La résistance totale de la scorie variant entre environ 0,035 et 0,040 ohm, on a déterminé d'après cela que la résistance totale de l'arc était d'environ 0,06 ohm et que le rapport de la puissance dissipée dans l'arc à la puissance dissipée dans la scorie, était d'environ 1/7. En outre, étant donné que le débit était d'environ 4,1 tonnes par heure, la production du four était de 0,5 t/heure par mètre carré de sole. La consommation d'énergie 15 n'était que d'environ 500 KWH par tonne, tandis que la densité nominale d'énergie était d'environ 240 KW/m de surface totale de sole. Etant donné que la matière en particules était' rendue électriquement non conductrice, la totalité du courant passait 20 dans la scorie et étant donné que la scorie elle-même était très résistante, on aurait pu s'attendre d'après l'expérience de la technique connue, à avoiyélissipé dans la scorie une proportion , 6S"u prédominante de l'énergie. Toutefois d après cet exemple, il/clair au'on n' a dissipé que 37# de l'énergie dans la scorie avec 25 une densité d'énergie d'environ 88 KW/m tandis que la plus grande partie de l'énergie, soit 63#, a été dissipée dans l'arc. La condition qui distingue le fonctionnement selon l'invention des procédés de fusion au four électrique connus est la combinaison d'une scorie fondue très résistante et d'une charge solide très résistante, sous forme d'une masse épaisse autour de l'électrode et en contact avec celle-ci. On peut prévoir que le spécialiste des fours à arc électrique se poserait la question de savoir comment dans de telles conditions, on peut même maintenir un arc, et comment on pourrait éviter de dissiper la plus grande partie de 25 l'énergie dans la scorie, avec tous les inconvénients afférents de perte de puissance, d'attaque des réfrac"aires, et de refroidissement par eau. Conformément aux enseignements de la présente invention, la réponse est qu'on maintient un arc stable en appliquant des tensions relativement élevées et en protégeant l'arc 40 comme on l'a décrit, en maintenant ainsi le niveau de température 30 70 05482 19 2031473 et d'ionisation nécessaires pour maintenir le passage du courant à travers le plasma de l'arc. Les tensions sont si élevées que la plus grande partie de l'énergie est dissipée dans l'arc et que la chaleur ainsi produite est utilisée de façon efficace pour la 5 fusion dans la zone de fusion relativement confinée, en contact avec l'arc protégé et autour de celui-ci tandis qu'il y a au plus environ 107 KW/m2, au maximum, qui soit dissipé dans la scorie, ce qii supprime la nécessité du refroidissement par eau et élimine pratiquement les pertes d'énergie Indésirables et supprime les 10 dommages causés aux réfractaires. On a mis en pratique le même mode de fonctionnement fondamental dans le même four, dans un grand nombre de conditions diverses, en ayant les mêmes bons résultats. Ainsi, on a fait varier la tension entre 300 et 800 volts, la puissance consommée entre envl-15 ron 1 000 et 2 000 KW, les épaisseurs de scorie entre environ 30cm et 60 cm et les diamètres d'électrodes entre environ 23 cm et 46 cm et aussi bien avec une coulée continue qu'avec une coulée intermittente de la scorie. On envisage des fonctionnements industriels avec des puissances communes s'élevant jusqu'à environ 20 50 000 KW avec des électrodes d'un diamètre allant jusqu'à 1,15 mètre et des tensions s'élevant jusqu'à environ 1 200 volts.Comme on l'a exposé précédemment il n'y a pas de limitation à la tension, à l'exception des nécessités relatives à la stabilité de l'arc et à l'équipement électrique extérieur. Dans un essai effectué à 25 environ 2 000 KW et sous 800 volts dans le four décrit dans l'exemple 1, le fonctionnement a été instable et on pense que ceci était dû au fait que dans ces conditions la longueur de l'arc était trop grande pour que le courant soit conduit de manière stable dans le plasma de l'arc entre l'électrode et la scorie. On peut 30 éliminer cette condition par injection directe dans l'arc de matière ionisable qui peut avantageusement être un gaz facilement ionisable, tel qu'un hydrocarbure, de préférence du méthane ou du propane, pour augmenter la capacité de l'arc à porter du courant et par conséquent la stabilité de l'arc. On peut réaliser 35 plus facilement des arcs stables dans des fours industriels, avec des intensités plus grandes et des tensions plus élevées que dans les fours des installations pilotes, qui sont de dimensions plus réduites et avec des Intensités moins élevées. Exemple 2 On a fondu une matière analogue à celle décrite dans l'exem- 40 70 05482 20 2031473 pie 1, conformément à la pratique des fours à arc ouvert, dans un four électrique circulaire fermé, ayant un diamètre intérieur d'environ ~5,J>5 mètres équipé de trois électrodes disposées en triangle au centre du four. On a maintenu des arcs ouverts cour-us 5 entre les électrodes et la scorie et on/charge la matière vers les parois du four et on a laissé s'écouler les charges dans la zone chaude de l'ara. La consommation de puissance était de 500 KV7 et la matière a été traitée à raison d'environ 900 kg par heure. Ainsi le débit par unité de surface de sole, a été seulement d'environ p 10 0,1 t/m /heure soit l/5ème du taux de production par unité de surface selon la présente invention, comme il a été indiqué dans 11 exemple 1. L'invention fournit donc un procédé perfectionné pour faire fonctionner un four à arc électrique pour la fusion de matière en 15 particules, mises sous forme d'une masse s'écoulant librement et pratiquement non conductrice électriquement, et de cette façon en utilise efficacement la chaleur pour la fusinn à des températures élevées avec les débits élevés résultants dans une zone de fusion confinée d'arc protégé au-dessus de la scorie, ce qui permet 20 d'obtenir des productions de four inhabituellement élevées, et évite en même temps des pertes de chaleur et des dommages aux revêtements réfractaires du four, sans qu'on ait pratiquement besoin fie refroidir à l'eau l'enveloppe du four. 70 05482 21 2031473 REVENDICATIONS 1 - Procédé pour fondre une matière en particules s'écoulant librement pratiquement non conductrice, dans un four à arc électrique contenant un bain fondu de cette matière, et au moins une 5 électrode réglable verticalement, disposée au-dessus du bain, de façon à faire éclater un arc entre l'électrode et le bain fondu, bain dont on retire la matière fondue, le procédé étant caractérisé par le fait qu'on alimente la matière en particules dans ledit four de façon qu'une masse de ces particules entoure l'électrode et * .|0 l'arc, protégeant ainsi l'arc et établissant une zone de fusion confinée à haute température au voisinage de l'arc, et que l'on fait s'écouler continuellement la matière en particules à travers cette zone à haute température, de façon que les particules fondent et s'écoulent dans le bain. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait ^ qu'on règle la dissipation de puissance dans l'arc et dans le bain en maintenant un bain relativement peu profond et une tension de phase relativement élevée et en réglant la longueur et la résistance de l'arc de façon que la puissance dissipée dans le bain soit suffisante pour maintenir le bain à la température désirée . mais ne constitue qu'une faible fraction de la puissance totale consommée, moyennant quoi la plus grande partie de la puissance consommée est dissipée d^ns l'arc. 3 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, 25 caractérisé par le fait que la matière en particules est constituée par du minerai nickélifère réduit des type oxydé et silicaté, que le four est fermé, que les particules sont alimentées et traitées sous une atmosphère neutre ou protectrice, que le bain est constitué par une couche de ferro-nickel fondu surmontée par une 30 couche de seorle fondue et qu'on soutire la scorie et le métal de leurs couches respectives. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à caractérisé par le fait qu'on maintient l'épaisseur du bain entre 30 et 60 centimètres. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 35 caractérisé par le fait qu'on règle la longueur de l'arc de façon que la résistance totale par phase soit d'au moins environ 0,02 ohm. 6 - Procédé selon la revendication 3* caractérisé par le fait ^ qu'on soutire de façon intermittente la scorie et le métal. 70 05482 22 2031473 7 - Procédé selon la revendication ~5, caractérisé par le fait qu'on soutire continuellement la scorie. 8 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'on alimente le four en particules de minerai réduit préchauffé. 5 9 - Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'on préchauffe les particules à une température d'au moins environ 700°C. 10 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à S, caractérisé par le fait que la matière en particules est eonstituée 10 par du minerai nickélifère du type oxydé ou silicaté, sensiblement a nhydre. 11 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qu'on fournit un gaz à l'arc de façon à améliorer la stabilité de ce dernier.