Brevet FR2528872A1 — publié le 19831223

La presente invention concerne le domaine de la métallurgie au plasma, et notamment les procédés de fabrication du nickel metallique. Ltinvention peut être appliquée avec une efficacité maximale à la fabrication du nickel, sous forme de grenaille et de lingots, employé dans la fonderie d'acier et la fonderie de fonte, ainsi que dans ltélaboration des nouveaux alliages du type Monel, employés dans les constructions de moteurs, et des alliages magnétiques pour l'industrie électronique. Ces derniers temps, on observe sur les marches une augmentation de la demande de nickel métallique de qualités moins chères, comparativement au nickel électrolytique et au nickel carbonyle raffiné de prix élevé ; aussi les entreprises produisant le nickel doivent-elles résoudre le problème de l'abaissement du prix de revient du nickel fabriqué. A l'heure actuelle, le procédé le plus répandu de tabrication des qualités bon marché de nickel métallique est la transformation d'une matière première oxydée nickélifère par réduction au cours de sa fusion en mélange avec un réducteur solide, à l'aide d'un courant électrique. Le procédé connu consiste en la préparation d'une charge avec la matière première oxydée nickélifère, par exemple du protoxyde de nickel, et un réducteur solide, par exemple du coke de pétrole ou de brai, et la fusion de cette charge sous l'action d'un courant électrique. Lors de la fusion, l'oxygène de la matière oxydée nickélifère réagit avec le réducteur solide et on obtient ainsi du nickel métallique en fusion. Pour décarburer le nickel métallique, on ajoute au nickel en fusion du protoxyde de nickel. Ensuite on désoxyde le métal fondu par addition de silicium. Ensuite, on désulfure le bain de nickel métal en y introduisant des produits contenant du calcium, par exemple du calcaire. Pour réaliser le procédé décrit, on utilise des fours triphasés du type four d'aciérie. Le produit résultant de la réduction contient près de 98 S de nickel métallique. L'extraction du nickel par le mode opératoire indiqué s'élève â 99,0 Uo. Les principaux inconvénients du procédé venant dteA tre examinés sont - l'augmentation du prix de revient du nickel métallique dû : - à l'utilisation dtun réducteur solide - au mélanose préliminaire de la matière pre- ni ère avec le réducteur - à la consommation accrue d'énergie électrique, par suite de la nécessité d'exécuter la dé carburation, la désoxydation et la désulfura tion - à l'utilisation de scorifiants et d'un déso xydant - les oxydes de fer et de cobalt se trouvant dans la matière première oxydée nickélifère sont réduits ; aussi le fer et le cobalt passent dans le bain de nickel métallique et y abaissent le taux de nickel. Les inconvénients indiqués du processus rendent d'ac- tualité le problème de la transformation des matières premières oxydées nickélifères par réduction à l'aide d'un plasma à basse température. Les tentatives faites pour résoudre ce problème ont abouti à l'apparition du procédé carbothermique de réduction des matières premières oxydées nickélifères, avec chauffage au plasma d'arc dans une installation à plasma avec un creuset (lingotière). Ce procédé consiste en ce qui suit. On prépare une charge ayant une grosseur des granules de 1 à 2 cm, consti- tuée par du protoxyde de nickel, par exemple une matte de nickel grillée ayant une grosseur des particules de 50 à 100 um, du petit coke de granulométrie de 63 à 200 um et un liant. La charge ainsi préparée est introduite dans la zone de réaction, la quantité de charge prise pour le premier enfournement se situant entre 0,1 et 0,2 du poids total de la charge. La zone de réaction est mise au préalable sous un vide allant jusqu'à 0,5 mm Hg, puis lavée à l'argon. Ensuite la charge enfournée est chauffée par la chaleur de l'arc à plasma stabilisé à l'argon. L'arc à plasma fait fondre la charge se trouvant dans la zone de réaction. Lors de la fusion de la charge, l'oxygène se trouvant dans la matière première oxydée nickélifère réagit avec le carbone du réducteur solide.Il s'ensuit la réduction des oxydes de nickel en métal. Le reste de la charge est versé dans le bain de nickel métallique à l'intervalle de temps réguliers, par petites portions. Lors de la réalisation de ce procédé, la pression est maintenue dans l'installation à plasma au niveau de 1,05 kg/cm2. Après l'élaboration du lingot, l'alimentation électrique de l'installation est coupée, et le lingot est tenu en séjour pour son refroidissement dans une atmosphère d'argon. Le nickel métallique obtenu par ce procédé contient jusqu'à 2 % de carbone et du soufre à un taux correspondant b sa teneur dans la charge de départ, se situant entre 0,24 à 0,45 %. La valeur pratique de ce processus est abaissée par la nécessité de la préparation préliminaire d'une matière granulée et par l'utilisation du plasma à basse température seulement en tant que source de chauffage. Pour obtenir un nickel métallique de qualité requise, lors de la réduction de la matière première oxydée nickélifère par le réducteur solide, il faut introduire dans le bain de nickel métal.des additions scorifiantes, décarburantes et désoxydantes, ctest-à-dire que l'organisation du processus de fusion dans une installation à plasma, dans le cas de réduction de la matière première oxydée nickélifère par un réducteur solide, diffère peu des processus réalisés dans les fours à arc triphasés. De la sorte, ce procédé présente tous les inconvénients énumérés plus haut de la fusion réductrice au four à arc. On s'est proposé de créer un procédé de fabrication du nickel métallique à partir d'une matière première oxydée nickélifère, qui ait un grand rendement, gracie à l'accroissement de la capacité réactionnelle du réducteur gazeux qui soit écologiquement propre, gracie à l'annulation ou à l'abaissement du taux d'oxyde de carbone dans les fumées, et économiquement plus avantageux, grâce à la suppression des opérations de décarburation et de désoxydation, ainsi que trace à la réduction du nombre d'opérations pour l'obtention du bain de laitier. La solution consiste en un procédé de fabrication du nickel métallique à partir d'une matière première oxydée nickélifère, par chauffage de cette matière à l'aide d'un jet de plasma jusqu'à la température de fusion du nickel, réduction des oxydes de nickel en nickel métallique pendant le chauffage avec réduction partielle des oxydes de fer et de cobalt se trouvant dans la matière première oxydée, en présence d'un gaz réducteur, formation d'un bain de nickel métallique, désulfuration du métal obtenu et élimination des oxydes de fer et de cobalt incomplètement réduits, ainsi que des gaz dissous, qui s'y trouvent, procédé dans lequel, selon l'invent ion, le jet de plasma est engendré en faisant passer le gaz réducteur à travers une zone où est amorcée une décharge électrique, la quantité de gaz réducteur nécessaire à la réduction des oxydes de nickel étant choisie de façon à être comprise entre environ 1,2 et environ 1,75 fois la quantité stoechiométrique de gaz réducteur. Une telle réalisation du procédé abaisse notablement le taux d'impuretés dans le nickel métallique, grâce à la suppression du recours à un réducteur solide, à des scorifiants et à des désoxydants. En outre, ceci se traduit par un abaissement du taux d'oxyde de carbone dans les fumées, ce qui améliore l'écologie de l'environnement et les conditions de travail. L'utilisation du gaz réducteur en tant que gaz plasmagène accroSt sa capacité réactionnelle, ce qui réduit la durée de la réduction des oxydes de nickel en métal. Si la quantité de gaz réducteur utilisée dans le procédé est inférieure à 1,2 fois la quantité stoechiométrique, on obtient un nickel métallique ayant une teneur accrue en oxygène, et si la quantité de gaz réducteur utilisée dans le procédé est supérieure à 1,75 fois la quantité stoechiométri que, on obtient un nickel métallique ayant un taux accru de fer et de cobalt, résultant de la réduction de la matière première oxydée nickélifère. L'utilisation d'une quantité de gaz réducteur dans la plage indiquée, s'étendant d'environ 1,2 à environ 1,75 fois la quantité stoechiométrique de gaz réducteur, assure l'obtention d'un nickel métallique à taux minimal d'impuretés, par exemple de fer et de cobalt. L'emploi d'un gaz réducteur abaisse le taux de carbone dans le nickel métallique, ce qui améliore la qualité du métal et réduit la durée du processus, gracie à la suppression d'opérations de traitement, telles que la décarburation du nickel métallique et sa désoxydation subséquente. En outre, dans le procédé exposé, l'hydrogène du gaz .ducteur participe à la désulfuration du nickel métallique, en réagissant avec le soufre se trouvant dans le bain et en formant avec lui des composés volatils, ce qui se traduit par l'élimination du soufre du bain et l'abaissement du taux de soufre dans le nickel métallique obtenu. Cette dernière circonstance a pour effet une réduction du nombre dtopérations de traitement, telles que, par exemple, la réalisation de bains de laitier pour éliminer le soufre. I1 en résulte une diminution de la durée de réalisation du processus et un abaissement des pertes de métal dans le laitier. I1 est avantageux de remplacer le gaz réducteur, passant à travers la zone où est amorcée la décharge électrique, par un gaz neutre pour le raffinage du bain de nickel métallique, en vue de le débarrasser des oxydes de fer et de cobalt incomplètement réduits, ainsi que des gaz qui y sont dissous. Cela permet d'éliminer l'hydrogène du gaz réducteur qui est dissous dans le bain de nickel métallique. I1 est recommandé, lors du raffinage du bain de nickel métallique, d'élever sa température jusqu'a environ 1620 OC, afin d'obtenir un métal de qualité après sa coulée en lingotières. Les autres objectifs et avantages de l'invention sont rendus plus compréhensibles par les exemples de réalisation concrets donnés ci-après et par le dessin annexé (fisure 1) qui représente schématiquement en coupe longitudinale un four defusion à plasna avec un creuset en céramique et une électrode de sole, pour la réalisation du procédé de fabrication du nickel métallique conforme à l'invention. Le procédé de fabrication du nickel métallique est réalisé dans un four 1 (figure 1) de fusion à plasma, comprenant un creuset 2 en céramique, fermé par un couvercle 3 à garnissage, qui comporte une tubulure 4 d'évacuation de la fumée. Dans un trou 5, ménagé dans la partie centrale du couvercle 3, est placé un générateur 6 de plasma, dont l'élec- trode de travail est raccordée au pôle négatif d'une source d'énergie électrique (non représentée sur la figure). Le pô- le positif de la source d'énergie électrique est raccordé à une électrode 7, qui est située dans la sole du creuset 2. Dans la paroi latérale du creuset 2 est ménagée une ouverture 8 de coulée dotée-d'un bec 9. Le procédé est réalisé de la façon suivante. La ma- tière de départ, une matière première 10 oxydée nickelifère, par exemple le protoxyde du nickel, est introduite dans le creuset 2. Elle y est chauffée par la chaleur du jet de plasma 11 du générateur 6 de plasma jusqu'j la température de fusion dunickel. Le jet de plasma 11 est engendré en faisant passer un gaz réducteur, par exemple de l'hydrogène, un gaz naturel brut ou converti mélangé avec un gaz neutre, à travers la zone où est amorcée une décharge électrique La décharge électrique est amorcée entre l'électrode de travail du générateur de plasma 6 et le bain 12. Les oxydes de nickel sont réduits en métal sous l'action du gaz réducteur à capacité réactionnelle accrue, admis en une quantité se situant entre environ 1, 2 et environ 1,75 fois la quantité stoechiométrique. En même temps le bain de nickel métal est désulfuré grace à la formation d'hydrogène sulfuré, qui est évacué avec la fumée à travers la tubulure 4. Le niveau nécessaire de la température, de 1400 à 1520 OC, est maintenu au cours de la réduction par régulation de la puissance du générateur 6 de plasma. Après achèvement des processus de réduction des oxydes de nickel en métal et désulfuration du bain de nickel métal obtenu, on effectue le raffinage du bain de nickel métal, pour éliminer l'hydrogène qui y est dissous. Pour cela on remplace le gaz réducteur, passant à travers la zone où est amorcée la décharge électrique, par un gaz neutre, par exemple de l'argon. Lors du raffinage, la température du bain de nickel métallique est élevée jusqu'à environ 1620 OC, la température de coulée du métal, pour obtenir à l'issue de la coulée en lingotières un métal de qualité. Exemple 1 Une matière première oxydée nickélifère, de composition Ni = 75,4 %, Co = 0,6 %, Fe = 0,5 %, Cu = 0,5 Uó, S = 0,01 %, Al = 1,5 So, oxydes d'autres métaux (Si, Mn, Mg, etc.) @ 1,5 X, ayant une grosseur des particules L 300 a été réduite dans le four à plasma représenté par la figure 1, avec une puissance du générateur de plasma de 60 kW. A travers le générateur de plasma on a admis un mélange gazeux argon + hydrogène dans un rapport égal à 1, le débit étant de 10 Nm3/h, en quantité égale à 1,75 fois la quantité stoechiométrique. La température du bain a été maintenue au niveau de 1400 à 1520 OC. Le processus de réduction s'est déroulé calmement, sans éjection de matière première. La fin du processus de réduction a été déterminée d'après l'augmentation du taux d'hydrogène dans les fumées, après quoi le nickel métallique a été débarrassé des gaz (H2) et des impuretés non métalliques : garnissage et oxydes incomplètement réduits de la matière de départ (FeO, MgO, etc.), par admission d'un gaz neutre - argon - à travers le générateur de plasma. Au cours du raffinage, le nickel métal a été chauf fé jusqu'à une température de 1600 à 1620 C, puis il a été coulé depuis le four dans des lingotières. La composition du métal obtenu était Ni = 99,07 %, Co = 0,35 %, Fe = 0,05 %, Cu = 0,52 %, S = 0,0015 ;;, C = 0,005 %. Exemple 2 La matière première oxydée nickélifère de départ, a composition et de granulométrie indiquées à l'exemple 1, a été réduite dans le four à plasma représenté sur la figure I, avec une puissance du générateur de plasma de 75 kw. A travers le générateur de plasma on a admis un mélange argon + oxyde de carbone + hydrogène (Ar+CO+H2) dans un rapport de 3/1/2, le débit étant de 10 m3/h,en une quantité égale à l,2 fois la quantité stoechiométrique. La température du bain a été maintenue au niveau de 1460 à 1510 C. Le processus de réduction s'est déroulé calmement, sans éjection de matière. La fin du processus de réduction a été déterminée de même qutà l'exemple 1, après quoi le bain de nickel métallique obtenu a été débarrassé des gaz (H2) et des impuretés non métalliques : garnissage et oxydes incomplètement réduits de la matière de départ (FeO, CoO, MgO, etc.), par adnission drun gaz neutre - argon - à travers le générateur de plasma. Au cours du raffinage, le nickel métallique a été chauffé jusqu'à une température de 1600 à 1620 OC, puis il a été coulé depuis le four dans des lingotières. La composition du métal obtenu était Ni = 99,01 X, Co = 0,38 % , Pe = 0,0 %, Cu = 0,55 % , S = 0,002 S0, C = 0,005 %. La variante préférentielle de réalisation de l'in vention décrite plus haut, n'est donnée qu'à titre d'exemple nullement limitatif. Diverses modifications et versions de l'invention sont possibles, sans pour cela s'écarter de sa substance et de son étendue, déterminée par les revendications ci-après. E V E N D IC A T I O N S 1 - Procédé de fabrication du nickel métal à partir d'une matière première oxydée nickélifère, par chauffage de cette matière à ltaide d'un jet de plasma jusqu'à la température de fusion du nickel, réduction des oxydes de nickel en nickel métallique pendant le chauffage avec réduction partielle des oxydes de fer et de cobalt se trouvant dans la matière première oxydée, en présence doun gaz réducteur, for- mation d'un bain de nickel métallique, désulfuration du bain de nickel métal obtenu et élimination des oxydes de fer et de cobalt incomplètement réduits, ainsi que des gaz dissolus, qui s'y trouvent, caractérisé en ce que le jet de plasma est engendré en faisant passer le gaz réducteur à travers une zone où est amorcée une décharge électrique, la quantité de gaz réducteur étant choisie de façon à être comprise entre environ 1, 2 et environ 1,75 fois la quantité stoechiométrique de gaz réducteur. 2 - Procédé de fabrication du nickel métal selon la revendication 1 caractérisé en ce que le gaz réducteur, passant à travers la zone où est amorcée la décharge électrique, est remplacé par un gaz neutre pour le raffinage du bain de nickel métallique, en vue de le débarrasser des oxydes de fer et'de cobalt incomplètement réduits, ainsi que des gaz qui y sont dissous. 3 - Procédé de fabrication du nickel métal selon les revendications 1 et 2, prises séparément ou en combinaison, caractérisé en ce que, lors du raffinage du bain de nickel métallique, sa température est élevée jusqu'a' environ 1620 OC, en vue de sa coulée.