Brevet FR2472729A1 — publié le 19810703

- 1 - la présente invention concerne un appareil et un procédé pour fondre des métaux granulés et/ou des minerais cristallins de haute qualité. La présente invention a pris naissance en raison de l'intérêt tant économique qu'écologique que présente le recyclage des métaux, en particulier des métaux qui peuvent être employés comme conducteurs dans la fabrication de fils et câbles électriques, qui se trouvent déjà sous la forme de fils ou câbles électriques ou d'appareils électroniques. Les déchets tels que les déchets de fils électriques, de câbles électriques et d'appareils électroniques sont très demandés en raison de leur relative pureté. La présente invention concerne un nouveau four à cave verticale et à chambres multiples pour fondre des métaux granulés et/ou des minerais cristallins de haute qualité sans risque de bouchage. Les déchets de métal granulé, le minerai cristallin de haute qualité ou un mélange de ceux-ci sont chargés dans une chambre de préchauffage située à la par- tie supérieure du four et dans laquelle la charge froide est chauffée par convection. Il faut noter que si la grosseur de particules de la matière d'aliemtation est trop petite, comme dans le cas de certains précipités de cuivre produits par un procédé hydro-métallurgique, le métal chargé sera en- tra$né en dehors du four, par le sommet de la cave, avec les gaz de combustion, c'est pourquoi il faut que la grosseur de particules des granules de la charge soit telle que les parti- cules aient une masse suffisante pour ne pas 8tre entra nées par le courant ascendant créé dans la cuve par les gaz de com- bustion ou fumées. En dessous de la chambre de préchauffage, se trouve une chambre de frittage o les granules métalliques préchauf- fés sont frittés par chauffage à une température légèrement inférieure au point de fusion du métal par une pluralité de brûleurs contrôlés situés dans les parois réfractaires du four et qui dirigent de la chaleur radialement vers l'intérieur. Dans la chambre de frittage, la masse de granulés métalliques ne fond pas en raison de la compacité de la charge et du haut rapport aire superficielle/volume de la charge, mais forme une -2- masse columnaire cohérente à une température juste inférieure à la température de fusion du métal. la masse frittée cohé- rente n'adhère pas aux parois de la cave du four parce que les parois sont doublées d'un matériau réfractaire et aussi parce que, à mesure que les granules de métal se compactent en une masse columnairê cohérente, la masse se contracte lé- gèrement en s'écartant des parois de la cuve par suite de l'élimination des vides qui se produit au fur et à mesure du frittage. En dessous de la chambre de frittage se trouve une chambre de fusion qui présente un diamètre plus grand et une hauteur plus petite que la chambre de frittage. Etant donné que la charge métallique a été frittée en une masse columnai- re plus haute que la hauteur de la chambre de fusion avant d'arriver dans la chambre de fusion de diamètre élargi, la masse columnaire de métal formée dans la chambre de frittage est forcée à rester au centre de la chambre de fusion à mesu- re qu'elle descend à travers la cuve, un espace de fusion tu- bulaire étant ainsi créé autour de la masse columnaire. De multiples brnleurs symétriquement espacés sont prévus dans et tout autour de la paroi réfractaire de la chambre de fusion et dirigent de la chaleur dans l'espace de fusion tubulaire d'une manière tangente à la masse columnaire fritt6e, de telle façon que la flamme tournoie à partir d'un point directement opposé à un trou de coulée prévu au fond de la chambre de fu- sion, symétriquement autour des deux c8tés de la colonne frittée de métal, vers le trou de coulée. Cette flamme tan- gente tournoyante fond la colonne frittée de métal à partir de sa surface extérieure vers son centre et, à mesure que la colonne fond, la portion fondue est remplacée par la charge frittée qui descend de façon continue. Le métal fondu s'écou- le le long de la sole (de préférence une sole à niveaux multi- ples du type décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis nO 088 263 déposée le 25 Octobre 1979 et cédée à la Demande- resse, et dont le but est de favoriser la fusion de la sur- face inférieure de la colonne tout en formant un support con- tinu pour la colonne frittée) dans la chambre de fusion et sort du four à travers le trou de coulée. -3- Ainsi, un but important de la présente invention est de fournir un four à cuve verticale amélioré pour fondre un métal granulé recueilli à partir de déchets recyclés par des granulateurs, un métal granulé récupéré à partir de nou- velles sources de déchets telles que des opérations d'usinage, ainsi qu'un minerai cristallin de haute qualité, les précipi- tés de cuivre provenant de procédés hydro-métallurgiques, une charge de métal en morceaux de grosseur normale ou n'importe quel mélange de ceux-ci, sans risque de bouchage. La description qui va suivre en regard du dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif fera bien com- prendre comment l'invention peut être réalisée, les particu- larités qui ressortent tant du dessin que du texte faisant, bien entendu, partie de ladite invention. La figure 1 est une vue, en coupe verticale, du mode de réalisation préféré de la présente invention. La figure 2 est une vue, en coupe, de la chambre de fusion élargie selon la ligne A-A de la figure 1. Le métal granulé, par exemple du cuivre, est chargé par gravité dans la partie supérieure du four par un dispositif de chargement non représenté. Comme on le voit sur la figure 1, le four 10 est divisé en une partie cylindrique 30 et une cham- bre de fusion 16, la partie supérieure du cylindre 30 constitue une chambre de préchauffage 11 dans laquelle la charge froide 12 est chauffée par convection par des brftleurs 13 et 14 prévus dans la chambre de frittage 15 et dans la chambre de fusion 16. La portion centrale du four est constituée par une chambre de frittage 15, dans laquelle la température de la charge pré- chauffée 12 qui descend est portée d'une manière contrôlée à une valeur juste inférieure à la température de fusion du métal de la charge par convection à partir des brûleurs 14 de la cham- bre de fusion et par chauffage direct au moyen des brûleurs 13 de la chambre de frittage de manière à former une masse colum- naire frittée de charge 17. En raison de la compacité de la charge 12 de métal granulé, de son haut rapport aire superfi- cielle/volume et de la manière contrôlée dont on fait fonc- tionner les brOleurs 13 de la chambre de frittage, la charge n'est pas fondue mais simplement frittée. La masse columnaire - 4 - 17 empêche les granules de charge 12 de passer à travers la cuve et vers le fond du four, empochant ainsi la formation incontrôlée d'une masse semi-solide de métal non fondu sur la sole 21. L'un des problèmes les plus sérieux rencontré dans la fusion de déchets granulés avec les fours à cuve de la technique antérieure était la formation incontrôlée d'une masse semi- solide froide de métal sur la sole qui bouchait le trou de coulée et qui bloquait les brCleurs. Au contraire, le four 10 de l'invention est muni d'une chambre de fusion 16 adaptée à recevoir la masse de charge 17 d'une manière con- trôlée et à fondre celle-ci tout en conservant le trou de cou- lée 19 dégagé et les brûleurs 14 non bloqués. Pendant le fonctionnement du four 10, la charge n'adhère pas aux parois internes 22 du four 10 car celles-ci sont doublées d'un ma- tériau réfractaire et aussi parce que, à mesure que la char- ge se compacte en une masse columnaire cohérente 17, elle se rétracte légèrement en s'écartant des parois internes 22 par suite du frittage de la masse et de l'élimination des vides. En dessous de la chambre de frittage 15, se trouve la chambre de fusion 16 qui présente un diamètre plus grand et une hauteur plus petite que la chambre de frittage 15 si- tuée immédiatement au-dessus d'elle. Généralement, le cylin- dre 30 doit avoir un diamètre d'environ 75 à 185 cm, de pré- férence d'environ 135 cm. Le diamètre de la chambre de fusion 16 doit Otre égal à environ 1,2 à environ 1,9 fois le diamè- tre du cylindre 30, de préférence d'environ 1,5 fois. Il y a lieu de comprendre aussi que le rapport des diamètres de la chambre de fusion et du cylindre varie inversement avec le diamètre du cylindre 30, c'est-àdire que plus le diamètre du cylindre 30 est grand plus le rapport du diambtre de la cham- bre de fusion au diamètre du cylindre est petit. La différen- ce minimale entre les diamètres du cylindre 30 et de la cham- bre de fusion 16 doit Otre d'environ 30 cm et la différence maximale doit être d'environ 61 cm. Pendant l'étape de démar- rage, la charge 12 atteint la sole 21 d'une manière contrôlée et est préchauffée pour commencer la formation contrôlée de la masse columnaire semi-solide ou frittée qui s'accumule en une colonne 17. La largeur de la chambre de fusion 16 assure - 5 - un espace 18 pour la combustion autour de la colonne 17 qui s'édifie, de manière à commencer la fusion de celleci tout en maintenant dégagé le trou de coulée 19 et en empochant le blocage des brtleurs 14 par la masse columnaire 170 Après cela, à mesure que la masse columnaire 17 descend dans le cylindre , elle quitte la chambre de frittage 15 sous forme d'une colonne solide 17 d'un diamètre approximativement égal au dia- mètre intérieur de la chambre de frittage 15, pénètre dans la chambre de fusion 16, et vient reposer sur une sole 21. La so- le 21 est, de préférence, une sole à niveauxmultiple afin de promouvoir la fusion de la surface inférieure de la colonne 17 ainsi que celle des surfaces circonférentielles tout en assa- rant un support vertical continu pour la colonne frittée 17. Le support latéral est assuré par les parois 22 de la qhambre de frittage 15 et un espace tubulaire 18 de chauffage/créé en- tre les parois 31 de la chambre de fusion 16 et la périphérie de la colonne 17. Dans cet espace 18 de la chaleur est dirigée vers l'intérieur de la chambre de fusion 16 par une multipli- cité de brftleurs 14 radialement alignés et espacés. Les brt- leurs 14 sont placés de façon à produire une flamme qui vient en contact tangentiel avec la colonne métallique 17 et tour- noie symétriquement autour de la colonne 17, dans l'espace tu- bulaire 18, à partir d'un point directement opposé au trou de coulée 19 et en direction de ce dernier. Cette application tangentielle symétrique de la flamme fond la colonne de métal 17 à partir de sa surface extérieure vers sa partie intérieu- re. La portion fondue de la masse columnaire 17 est remplacée par des portions de colonne 17 qui sont frittées en continu dans la chambre de frittage 15 et amenées par gravité de la chambre de frittage 15 dans la chambre de fusion 16 pendant le fonctionnement du four 10. Le métal fondu 20 s'écoule le long de la sole 21 qui dirige le courant de métal vers le trou de coulée 19. Il va de soi que le mode de réalisation décrit n'est qu'un exemple et qu'il serait possible de le modifier, notam- ment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. _6_ REVENDICATIONS 1. Four à cuve verticale pour fondre de manière continue des morceaux de métal, qui comprend une chambre de préchauffage supérieure (11) comportant des moyens pour y charger des morceaux de métal, et une chambre de fusion inté- rieure (16) comportant des moyens (14) d'injection de chaleur en son sein, caractérisé-en ce qu'il comprend: a) une chambre de feittage (-15) intermédiaire entre les cham- bres supérieure et inférieure; et en ce que b) cette chambre de frittage:comporte des moyens supplémen- taires (13) pour y injecter de la chaleur et présente une aire de section transversale plus petite que l'aire de section transversale de la chambre de fusion inférieure. 2. Un four selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre de préchauffage supérieure comprend des moyens pour y charger par gravité les morceaux de métal au cours du fonctionnement du four et étant adaptée pour pré- chauffer ce métal à une température supérieure à la tempéra- ture ambiante; en ce que la chambre de frittage a une paroi intérieure formée d'un matériau réfractaire, une pluralité de braleurs espacés en vue de chauffer de façon contrôlée le métal à une température juste légèrement en dessous de la tem- pérature de fusion du métal de manière à fritter ce métal en une masse columnaire cohérente d'un diamètre seulement légè- rement plus petit que le diamètre de la chambre de frittage (15). 3. Un four selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre de fusion cylindrique comprend une cham- bre cylindrique ayant une paroi intérieure formée d'un maté- riau réfractaire, une pluralité de braleurs appliquant une flamme tangentiellement à la masse columnaire de manière à fondre cette dernière à partir de sa surface vers son centre; et en ce qu'il comprend une sole supportant la masse columnai- re, favorisant la fusion rapide de celle-ci et collectant le métal fondu venant de la chambre de fusion. 4. Un four selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport du diamètre maximal de la chambre de la chambre de fusion au diamètre de la partie cylindrique va -7- d'environ 1,2:1 à environ i,9:10 5. Un four selon la revendication 4, caractérisé en ce que le rapport du diamètre maximal de la chambre de fu- sion au diamètre de la partie cylindrique (30) varie inverse- ment avec le diamètre de la chambre cylindrique supérieure. - 6. Un four selon la revendication 3, caractérisé en ce que la sole est une sole à niveaux multiples. 7. Un procédé de mise en oeuvre d'un four tel que défini à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: a) à introduire les morceaux de métal dans la chambre de pré- chauffage (11); b) à préchauffer ce métal à une température supérieure à la température ambiante dans la chambre de préchauffage; c) on fait passer le métal devant une pluralité de braleurs espacés de manière à chauffer le métal à une température légèrement au dessous de la température de fusion du métal et à le fritter en une masse columnaire; d) on fait passer cette masse columnaire dans une chambre de fusion et on la chauffe à l'aide d'une pluralité de brû- leurs symétriquement espacés et radialement alignés de ma- nière à fondre la masse columnaire de sa surface vers son centre; e) à collecter le métal en fusion pour former une masse de mé- tal fondu; et f) à drainer cette masse de métal fondu à partir de la chambre de fusion. 8. Un procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le métal à traiter est du cuivre.