Brevet FR2248325A1 — publié le 19750516

La présente invention concerne une méthode et une installation pour la production de cuivre avec une teneur en oxygène et en autres éléments en quantité déterminée par la fusion et l'affinage de pièces moulées de cuivre dans un four utilisant l'énergie thermique provenant de la combustion d'un hydrocarbure liquide ou solide. La demande de cuivre contenant de très faibles quantités de substances étrangères augmente continuellement : et cela par suite du développement croissant de certaines applications industrielles, telles que, par exemple, dans le domaine électrique ou électronique, où le cuivre exempt dloxYgène a trouvé une 'large utilisation grâce à la résistivité minimale qu'il présente. Aujourd1hui, en particulier pour des usages électriques et électroniques, le cuivre se distingue par rapport à la teneur en oxygène, en cuivre à teneur inférieure à 0,003 % ; cuivre à teneur inférieure à 0,015 % et en cuivre appelé Ittoush pitch" d'une teneur en oxygène de 0,035 à 0,05 %. La forme d'approvisionnement la plus commune pour la production de semi-produits est le cuivre que l'on obtient par un processus d'affinage électrolytique, d'où le nom de "cathodique" qu'on applique généralement à ce cuivre, déjà pur, commercialement parlant. En effet, le minerai de cuivre, après un affinage thermique préliminaire, est fondu sous des formes qui sont affinées ultérieurement, cette fois par voie électrolytique. Le cuivre sous ces formes, branché au pole positif d'une cellule électrolytique dont le pôle négatif, la cathode, est constituée par une mince feuille de cuivre pur, au passage du courant électrique, migre sous forme d'ion à travers la solution, en général de sulfate de cuivre et d'acide sulfurique, vers la cathode et s'y dépose. Les cathodes ainsi obtenues ont en général une forme rectangulaire ou carrée, ayant de 635 à 1016 millimètres de côté et de 12 à 25,4 millimètres d'épaisseur, et, sauf une quantité inévitable de sulfates, provenant de la solution électrolytique, et qui sont englobées dans le cuivre, elles sont chimiquement pures. Toutefois les cathodes, soit à cause de leur forme, soit à cause de leur structure interne à grain très crois, ne peuvent pas encore être utilisées ainsi comme produits, mais il est nécessaire de les fondre pour en obtenir des formes Dlus pratiques pour l'usinage, tels Que des saumons, des lingots, des billettes, des barres et du fil machine, qui après une transformation généralement à froid, donneront les prodi,itç finis. a fusion pour donner aux cathodes des formes plus pratiques est la phase la plus délicate dans le traitement du cuivre, étant donné qu'aux hautes températures le cuivre s'oxy facilement ; par conséquent, pour maintenir suffisamment basse la teneur en oxygène, il est nécessaire que l'atmosphère dans laquelle s'effectue la fusion soit ou chimiquement inerte, ou réductrice. On trouve de plus sur le marché, outre les cathodes, ?3i, comme nous l'avons diti sont suffisamment pures, des rebuts d'usinage et des déchets, tournures, etc, qui contiennent en général des pourcentages élevés d'oxyde et d'autres éléments d'impuretés, mais qui, étant donné leur valeur économique, doivent être récupérés et remis dans le cycle de fabrication après an affinage thermique convenable. Jusqu'à ce jour, l'industrie a préféré la fusion du cuivre dans des fours électriques ou dans les fours à reverbère trad- tionnels, où, une fois le cuivre fondu, on peut effectuer l'opération appelée "perchage". Toutefois, ces méthodes présentent des inconvénients importants : dans les fours électriques, le coût élevé de l'énergie et l'impossibilité d'acir chimiquement sur les impuretés du cuivre ; dans les fours à reverbère, I'ope- ration incommode du perchage du bain de fusion avec des bois verts et la nécessité d'une fusion discontinue de grandes quantités de cuivre (50 à 100 tonnes). En ce qui concerne les fours qui utilisent la combustion d'un hydrocarbure comme source d'énergie thermique, par exemple les fours pit type Asarco, brevet des Etats-Unis n 3.1 . 77, Ils ont rencontré de nombreux obstacles à la surjeté de foncticn- nement à cause de la difficulté de maintenir, dans tout l'ensemble du four une atmosphère chauffante réductrice ou en tout cas inerte, alors qu'elle est facilement oxydante par suite de l'iné- vitable envoi dans le four de l'oxygène nécessaire à la combus tion. En effet, comme dans tout phénomène physique, même dans la combustion il est possible de constater une certaine sorte d'inertie, dans le cas chimique présent, qui empêche une réaction instantanée ; en d'autres termes, il est possible de noter un temps de réaction, c'est-à-dire l'interv2lle de temps qui- s'écou- le entre l'instant dans lequel on amorce la réaction et l'instant dans lequel cette réaction cesse, lorsque l'un ou plusieurs des réactifs est complètement combiné.Le temps de réaction de la combustion d'un hydrocarbure, bien qu'étant très bref, est cependant suffisant pour rendre problématique le maintien de propriétés non oxydantes en tous les points du volume où la combustion s'effectue, Effectivement, comme cela a bien été mis en lumière par les études conduites pour la réalisation du four Asarco, à la sortie du brtleur, on peut identifier dans le courant de gaz chauds, un volume de forme irrégulière et allongée, qui s'étend à l'intérieur du four, et dans lequel il existe de l'oxygène non combiné.Le pourcentage d'oxygène libre dans les points dudit volume, qui a la forme d'un crayon, est fonction de la distance du point à la section de sortie du bradeur et diminue d'un maximum à la hauteur de ladite section Jusqu'à zéro à la hauteur d'une distance donnée à l'intérieur du four par rapport à ladite section. Cette distance, c'est-à-dire en somme la lon sueur du "crayon" dû à l'existence du temps de réaction, est fonction, au moins dans un certain intervalle, de la teneur en oxygène comburant, en ayant un minimum bien précis pour un pourcentage parfaitement défini d'oxygène. Ledit pourcentage, correspondant à la longueur minimale de cette forme en crayon, est inférieur à celui qui serait stoechiométriquement nécessaire pour obtenir une combustion complète, de telle façon que pour minimiser le volume de la forme en crayon, c'est-à-dire le volume d'oxygène libre présent dans les gaz chauds, il est nécessaire d'alimenter la combustion avec de l'oxygène en défaut, situation qui n'a rien d'optimal pour le rendement thermique du combustible. Le manque d'oxygène de combustion a pour effet de provoquer un caractère réducteur dans l'atmosphère chauffante, par suite de la présence de radicaux d'hydrocarbures fortement avides d'oxygène, caractère qui présente une certaine utilité en empE- chant que des infiltrations éventuelles d'oxygène à travers les portes de service du four puissent arriver jusqu'au cuivre en fusion, en le polluant, mais qui a peu d'influence sur les impuretés dues à l'oxygène contenu dans le volume de la forme en crayon. En effet, l'oxyde qui se forme quand le "crayon" arrive au contact du cuivre en fusion, probablement à cause d'une Pos- sibilité du cuivre, accentuée par rapport à d'autres métaux, d'absorber son propre oxyde, se trouve enolobé dans le cuivre avant que l'action réductrice de l'atmosphère ait pu se faire sentir. Pour empêcher cette oxydation, il serait nécessaire de maintenir le cuivre en fusion à une distance de la section de sortie du brûleur, supérieure à la longueur de la forme en crayon, solution oui vient contredire le concept économique de rendement thermique maximal, et qui veut que le cuivre soit le plus près possible de la zone à température plus élevée.Cette solution est en outre difficile à réalise, si l'on pense que la colonne de formes de cuivre en fusion s'appuie sur des formes qui ne sont pas encore fondues, mais certainement à l'état plastique, et qui n'offrent pas une base solide, ce qui fait que la colonne de cuivre en fusion reste difficilement verticale, mais qu'elle s'appuie à la paroi du four, en rendant pratiquement irréalisable le maintien d'une distance fixe et calculée d'avance entre le cuivre et la section de sortie du brûleur ; on pourra seulement affirmer statistiquement qu'une telle distance est comprise dans les limites de sécurité de non oxydation, mais certainement en pratique cette distance sera plus grandie ou plus petite que ladite limite, en fonction de l'inclinaison de la colonne de cuivre en fusion. Tels sont, exposés synthétiquement, les inconvénients majeurs qui ont empêché jusqu'à ce jour, une sécurité complète de marche sur le plan industriel de fours pour la fusion du cuivre, utilisant comme source d'énergie thermique la combustion d'un hydrocarbure. Un des procédés les plus importants pour la fusion du cuivre au moyen de gaz chauds, d'après lequel a été réalisé le four Asarco dé mentionné, indique comme solution aux difficultés précisées un controle sévère du pourcentace d'oxvcène de combustion, un mélange intime entre les courants de combustible et d'oxygène pour former un mélance aussi homogène que possible et enfin l'allumage du mélanose avare de l'injecter dans le four. Cependant, le domaine d'application de ce procédé est très restreint, puisqu'il se limite à l'emploi des cathodes de cuivre, c'est-a-dire d'un cuivre déjà commercialement pur, en n'offrant pas la possibilité d'affiner ultérieurement le cuivre. Le but principal de la présente invention est celui de réaliser une méthode et une installatior pour la fusion et l'affinage du cuivre, dans lesquelles, en utilisant l'énergie thermique d'une combustion, il soit possible de fondre le cuivre dans une atmosphère chimiquement inerte ou mieux encore méduc- trice. Un autre but de la présente invention est celui de réaliser une méthode et une installation pour la fusion et l'effinage du cuivre dans lesquelles, en utilisant l'énergie thermique d'une combustion, il soit possible d'employer indifféremment des cathodes de cuivre, ou des rebuts d'usinage ou des déchets de cuivre, pour obtenir un cuivre dont la teneur en substances indésirables soit conformeaux exigences du marché. La difficulté majeure dans la réalisation d'un four à aaz chauds, c'est-à-dire l'élimination de la possibilité d'oxydation du cuivre en fusion de la part de l'oxygène de la combustion non combiné, peut être surmontée de diverses facons. Si on considère que le temps de réaction, qui ect le nara- mètre le plus significatif aux effets cue l'on recherche, diminue dans certaines limites avec l'accroissement du rapport entre combustible et oxygène, le problème a été résolu, dans le four Asarco, en réduisant justement la quantité d'oxygène comburant et par conséquent le volume de la forme en crayon, en obtenant une atmosphère de chauffe à caractéristiques réductrices, mais au détriment du rendement thermique du combustible. D'autre part, il est possible d'obtenir des gaz chauds complètement privés d'oxygène libre au moment où ils viennent envelopper le cuivre en fusion, et avec une combustion oPti- male, c'est-à-dire en fournissant la quantité exacte d'oxygène comburant, en allumant le courant d'oxygène et ae combustible à une distance du cuivre en fusion telle que le courant, a sen auquel se produit la combustion, emploie à la parcourir un temps supérieur au temps de réaction. De cette facon, les craz chauds arriveront à lécher le cuivre alors qu'ils sont complètement privés d'oxygène, car celui-ci a eu le temps de se combiner complètement. La présente invention prévoit une forme d'exécution utilisant ce type de solution, mais avec des mesures adroites permettant d'exploiter la température maximale des gaz c'est-à-dire la température existant dans la zone voisine à la section de sortie du brûleur, et en atteignant ainsi des rendements optimaux aussi bien dans la combustion que dans la transmissior de chaleur. Par conséquent, le problème qui se pose est celui de réaliser une chambre de combustion, dans laquelle on injecte le courant d'oxygène et de combustible, déjà allumé dans les brûleurs, ladite chambre de combustion étant directement raccordée à la chambre de fusion et d'une grandeur suffisante pour permettre une combustion complète avant que le courant atteigne le cuivre en fusion et qui offre donc la possibilité d'exploiter toute la chaleur dégagée dans son sein. L'exigence d'une telle chambre de combustion à laquelle se joint l'exigence de pouvoir éventuellement intervenir Dour ajuster la composition du cuivre, cette dernière condition demandant l'existence d'une zone où l'on recueille le cuivre fondu, ont suggéré au demandeur une solution aussi brillante que simple. En effet, dans la partie supérieure du bassin de réception du cuivre fondu, autrement dit dans la chambre d'attente, il est possible d'aménacer la chambre de combustion, délimitée inférieurement par la surface du cuivre en fusion qui est protégée de l'oxydation et d'un réchauffement excessif par une couche de charbon uniformément distribuée sur ladite surface. Cette disposition résoud pleinement les problèmes posés le courant d'oxygène et de carburant allumé dans les brûleurs est injecté dans la chambre de combustion où il séjourne le temps nécessaire à obtenir une combustion complète, de telle sorte que le pourcentage d'oyvaène libre soit nr et enfin Il est transporta dans la chambre de fusion. En outre, en ce aui concerne le rendement thermislae, à part les pertes inévitables dans le réfractaire de la chambre de fusion, la chaleur produite par la combustion est comDlète- ment utilisée, en partie par le cuivre fondu sous-;iacent à la couche de charbon et en partie par le cuivre en fusion. La couche de charbon, tout en empochant les gaz chav.ds encore oxydants de venir au contact du cuivre fondu et en permettant la transmission de la chaleur avec un bon rendement, est également fortement réductrice vis-à-vis de l'atmosphère chauffante, étant donné la grande affinité du carbone pour l'oxygène aux températures élevées de travail. La quantité de chaleur possédée par le courant de gaz chauds sortant de la chambre de combustion pourrait eAtre suffisante pour élever la température du cuivre jusqu'au point de fusion, mais alors le régime de fonctionnement serait unique et défini, ce qui n'est guère favorable, étant donné les buts que l'on s'est proposé. En effet, si, dans la chambre de fusion, il est nécessaire d'obtenir pour chaque type de fonctionnement une seule valeur de la température, par contre, il doit entre possible de faire varier la température du cuivre fondu, chauffé par l'atmosphère de la chambre de combustion à travers la couche du charbon, de façon à réaliser les conditions les meilleures pour chaque type d'intervention sur la composition du cuivre. Pour toutes ces raisons on a considéré comme nécessaire la présence d'un système auxiliaire de brûleurs localisé dans la chambre de fusion. La fonction de ce système de- brûleurs est essentiellement de fournir la quantité de chaleur qui, jointe à celle provenant de la chambre de combustion, permette d'atteindre dans la chambre de fusion la temDérature désirée. La quantité de chaleur que le système secondaire de bruleurs doit fournir peut varier avec la variation des conditions de fonctionnement, en fonction de la température désirée dans le bain fondu, et par conséquent, en fonction de la quantité de chaleur introduite dans la chambre de combustion par le système principal de brtleurs. Sauf pour des situations particulieres du fonctionnement, la quantité de chaleur fournie par le système secondaire de brtleurs représente un pourcentage assez bas de la quantité de chaleur totale dont la plus grande partie est fournie par le système principal situé dans la chambre de combustion. Cette caractéristique représente un gros avantage : en effet, à la nécessité de fournir à la ch ambre de fusion, par le moyen du système secondaire de bradeurs, un faible pourcentage de la chaleur nécessaire pour la fusion, correspond l'davantage d'avoir à fournir moins de combustible, et surtout moins d'oxygène, fait qui povoque une diminution de la quantité d'oxygène libre présente dans le courant de gaz-chauds produit par le système secondaire de brûleurs et une grande amélioration en ce qui concerne la possibilité dtoxydation du cuivre en fusion.Pour cette raison, le système secondaire de brbleurs nta pas besoin de dispositifs spéciaux pour diminuer la quantité d'oxygène libre présente dans le courant de gaz chauds, à l'exception de la mesure consistant à ne fournir aux brtleurs secondaires que de l'oxygène en défaut, de façon à obtenir une atmosphère à caractère réducteur. La présence des deux systèmes de brtleurs, le système primaire produisant un courant de gaz chauds privé d'oxygène libre et le système secondaire produisant un courant de gaz chauds réducteurs, permet de réaliser divers régimes de fonctionnement, en particulier, il permet d'interrompre la fusion en maintenant le cuivre fondu à la température la plus convenable pour des interventions éventuelles pour modifier la composition dudit cuivre.Ces interventions peuvent avoir pour but l'élimination de-l'oxyde déjà présent dans les formes brutes de cuivre ou celui qui a été causé durant la fusion elle-mtme à un pourcentage extrtmement bas et d'-élimination du contenu éventuel des sulfates provenant des cathodes. Lesdites interventions peuvent également consister à dégaser le cuivre et enfin à en changer radicalement lwkomposition pour la production d'alliages, par exemple, des bronzes ou des laitons. Ces opérations s'effectuent en introduisant dans la cuve de réception du cuivre fondu des agents chimiques opportuns ou en effectuant le classique npooli-ag" ou perchage, si l'on veut employer des méthodes traditionnelles0 Les caractéristiques de la méthode suivant 1'invention et ses avantages par rapport aux techniques déjà connues se comprendront mieux en étudiant la description ci-après faite en se rapportant aux dessins en annexe qui illustrent des exemples d'installations pour la réalisation de ladite invention. Dans ces dessins La figure 1 est une coupe verticale présentant d'une façon schématique une installation destinée à réaliser la méthode objet de l'invention La figure 2 est une coupe effectuée suivant la ligne Il-Il de la figure 1 ; et La figure 3 donne une coup-e verticale présentant une autre installation realisant également l'invention. Si on se reporte aux figures I et 2 des dessins, on v voit une installation constituée dans sa structure par une chambre de fusion 3 et par une chambre 4 de réception et de conservation du métal fondu. La structure des chambres est en matériau réfractaire 1, revêtu d'une chemise d'acier 2, soudée de façon à éviter toute infiltration d'air. La chambre de fusion 3 comprend des brûleurs secondaires 5 et de façon analogue, la chambre 4 présente des brûleurs primaires 6. Au sommet de la chambre de fusion 3, on a prévu une porte 10 avec une plateforme d'accès 10 a ; les formes brutes de cuivre 9, par exemple, des cathodes, sont transportées jusqu'à la porte 10 au moyen d'engins convenables de chargement schématisés en 11. Les formes de cuivre sont introduites dans la chambre de fusion 3, où elles sont portées à la température de fusion par deux courants de gaz chauds : un courant provenant de la chambre 4, et produit par les brûleurs primaires 6, et un autre courant, engendré dans ladite chambre 3 par les brûleurs secondaires 5. Le cuivre est ainsi fondu et s'écoule le long d'une conduite inclinée 12 qui met en communication la chambre 3 avec la chambre 4. Dans la chambre de réception 4, le cuivre est maintenu à l'état fondu et est protégé par l'atmosphère oxydante de la chambre grâce à une couche de charbon & qui est introduit par des portillons 16 situés au plafond de la chambre 4. Dans l'installation conforme à l'invention, il est facile de comprendre que le courant de gaz chaud provenant de la combustion primaire fournit la plus grandie quantité de chaleur nécessaire à la fusion et au maintien d'une température convenable pour le bain fondu et que le courant dérivé de la- combus tion secondaire fournit le reste de chaleur. Le rapport entre les quantités de calories fournies par ces deux combustions peut être réglé suivant le type de fonctionnement désiré. En outre, dans la chambre 4, le cuivre peut subir des ont rations de dégasage, de désulfuration, ou toute autre opération concernant l'affina@e ou la production d'alliages, tels que les bronzes et les laitons. La coulée du cuivre fondu de la chambre 4 peut être effectue suivant une méthode classique @uelconque. Une méthode particulièrement recommandable est celle qu'indique la figure 3, qui montre une installation ayant une c?cabre de rècep- tion et de maintien du métal fondu de configuration anmilPir- les composants de cette installation sont les mêmes que ce de la firrure 1 et sortent les memes numéros de repère. La méthode de coulée du métal fondu illustrée par la figure 3 consiste simplement dans l'emploi d'un système à siphon 13, décrit en détail et illustré dans le brevet italien n 927.169, et auquel on se reportera pour les explications désirées. Ce système à siphon, non seulement permet de sortir le cuivre fondu du four en éliminant toute nossibilité de contact avec l'air sans déranger le calme du bain fondu, mais il permet également ur réglage suffisamment précis du débit de cuivre fondu. REVENDICATIONS 1) Méthode pour la fusion de formes brutes de cuivre utilisant comme source d'énergie thermique la combustion d'un hydrocarbure, caractérisée par le fait que les formes brutes de cuivre introduites dans une chambre de fusion verticale sont enveloppées par deux courants de gaz chauds, un premier courant provenant d'une combustion primaire en présence d'une quantité d'oxygène suffisante pour brûler tout le combustible dans une chambre de réception et de conservation-du cuivre fondu disposée dans une zone conti-gue à la base de ladite chambre de fusion et communiquant avec elle, et un second courant engendré directement dans ladite chambre de fusion grâce à une combustion secondaire utilisant de l'oxygène en défaut. 2) Méthode suivant la revendication 1, dans laquelle le cuivre fondu contenu dans la chambre de réception, porte une couche superficielle de matériau de protection capable de séparer le cuivre fondu de l'oxygène libre contenu dans ledit courant primaire, mais laissant tout de même passer la chaleur. 3) Méthode suivant la revendication 2, caractérisée par le fait que ladite couche de protection peut être constituée par du charbon de bois. 4) Installation pour la réalisation de la méthode suivant l'une quelconque des revendication 1 à 3, caractérisée par le fait qu'elle comprend une première chambre de fusion verticale dans laquelle est monté un premier groupe de brtleurs et une seconde chambre de réception et de conservation du cuivre fondu, en communication avec ladite première chambre et dans laquelle est monté un deuxième groupe de brtleur, ladite seconde chambre étant disposée dans une zone contigUe à la base de la première chambre. 5) Installation suivant la revendication 4, caractérisée par le fait que ladite deuxième chambre est annulaire et entoure la base de la première. 6) Installation suivant la revendication 4, caractérisée nar le fait qu'elle comprend un appareil à siphon pour la coulée du cuivre fondu.