Brevet FR2590593A1 — publié le 19870529

Procédé de production thermique continue du magnésium, mettant en oeuvre un plasma thermique. Cette invention concerne un procédé pour la production thermique du magnésium, et, plus particulière- ment, & partir de matières d'alimentation contenant de l'oxyde de magnésium, utilisant un processus mettant en jeu le silicium comme au moins un réducteur. Un certain nombre de procédés sont présentement utilisés pour la production du magnésium; cependant, seuls les procédés thermiques sont concernés dans cette description. L'un des procédés les plus anciens est le procédé Pidgeon, dans lequel de la dolomite calcinée et du silicium, habituellement sous forme de ferrosilicium, sont mis en briquettes, puis chargés dans des cornues tubulaires en acier et sont ensuite mis à réagir. L'énergie requise pour la réaction est fournie de l'extérieur des cornues tubulaires. Des températures d'environ 790 C et des pressions inférieures à 14 Pa sont couramment employées. La réaction est une réaction à l'état solide, avec la vapeur de magnésium comme produit. Le procédé Pidgeon souffre de l'inconvénient d'une faible capacité de production par unité et de coûts de maintenance élevés. Un autre parmi les premiers procédés thermiques à avoir été développé est le procédé carbothermique. Ce procédé est basé sur la réaction de l'oxyde de magnésium avec le carbone pour produire de la vapeur de magnésium. Ce procédé nécessite en règle générale la trempe de la vapeur de magnésium qui conduit à la poudre de magnésium et aux problèmes de la manipulation ultérieure de la poudre. Le Brevet Sud Africain N' 84/9885 décrit un perfectionnement apporté à ce procédé. L'un des derniers développements est le procédé Magnetherm. Dans ce procédé, on fait réagir de la dolomite calcinée avec du ferrosilicium, en présence d'alumine, dans un réacteur à arc submergé. La réaction avec le ferrosilicium a lieu à l'état fondu, à, ou près de, la surface du laitier, qui se trouve généralement au-dessus de la source d'énergie thermique, qui est produite par une électrode submergée. L'énergie thermique atteint la zone de réaction par convection et conduction. La température & l'intérieur du réacteur se situe normalement aux environs de 995 C tandis que les pressions sont normalement inférieures & 4 kPa. Ce procédé souffre de l'inconvénient que la source d'énergie thermique se situe au- dessous de la zone de réaction et, par conséquent, des agents de scarification, tels qu'un fondant d'alumine ou de bauxite sont, de préférence, introduits pour réduire la température et la viscosité du liquidus du laitier, avec une augmentation résultante de la turbulence, du mélange et du transfert de chaleur, tout en restant à l'intérieur des contraintes d'une résistivité électrique suffisante du laitier et d'un séjour suffisant du ferrosilicium dans le laitier. Le fonctionnement sous vide augmente les problèmes de fuite et impose, dans la pratique, un fonctionnement par lots. Le Brevet Sud Africain N' 84/7540 décrit ce procédé tel qu'il est appliqué pour reJeter les scories d'autres procédés pyrométallurgiques. Par conséquent, un obJectif de cette invention est de proposer un procédé pour la production continue de magnésium, qui atténue au moins quelquesuns parmi les problèmes d'un procédé tel que le procédé Nagnetherm. Conformément à la présente invention, il est proposé un procédé pour la production continue du magnésium dans un bain de four dans lequel on introduit des matières d'alimentation solides, comprenant au moins de l'oxyde de magnésium et au moins un agent réducteur, à une vitesse contrôlée, dans une zone de réaction du bain de four, la zone de réaction consistant en au moins du laitier fondu dans lequel le magnésium gazeux est produit, la vapeur de magnésium étant récupérée comme requis, le procédé étant caractérisé par le fait que l'on chauffe directement la zone de réaction et le bain de four au moyen d'un plasma thermique d'arc transféré, à l'égard duquel le bain de four fait partie intégrante du circuit électrique, le chauffage étant effectué à une température qui se situe au moins au dessus de la température minimale pour la réaction de réduction de l'oxyde de magnésium De préférence, les matières d'alimentation comprennent la dolomite complètement calcinée et facultativement préchauffée et, soit du ferrosilicium, soit, en variante, du silicium et/ou de l'aluminium et, facultativement, une matière contenant de l'alumine. Ces matières d'alimentation comprennent, de préférence, environ 77% en masse de dolomite calcinée, environ 13% en masse de ferrosilicium et environ 10% en masse d'alumine. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, on prévoit que de l'argon pur soit utilisé, de préférence, comme gaz formant le plasma du four et, en outre, que l'argon soit utilisé comme gaz de purge ou gaz de balayage. Conformément à encore une autre caractéristique de l'invention, on prévoit que le four soit mis en service à ou aux environs de la pression atmosphérique. Conformément à d'autres caractéristiques encore de l'invention, on prévoit que le plasma thermique d'arc transféré soit produit par une alimentation en courant continu ou en courant alternatif; que l'électrode ou le générateur de plasma soit monté dans n'importe quelle disposition géométrique appropriée au-dessus du bain de four; et que le four soit associé à un circuit de récupération du magnésium. Il est envisagé que, dans le cas d'un fonctionnement en courant continu, une polarité inversée (c'est-à-dire que l'électrode soit l'anode au lieu d'être la cathode) est avantageuse pour la vaporisation du magnésium. On comprendra que, dans cette description, l'expression "plasma thermique" est destinée à désigner un plasma gazeux produit électriquement, dans lequel la température ionique se situe entre 27600C et 11 1000C et dans lequel le bain de four fait partie intégrante du circuit électrique. Un mode de réalisation de cette invention est décrit, au moyen d'un exemple seulement, en référence au -dessin annexé sur lequel sont représentés un four à plasma thermique d'arc transféré et un condenseur pour la récupération du magnésium. En règle générale, il est envisagé que le procédé puisse être appliqué à des produits d'alimentation classiques pour procédé Magnetherm,autrement dit, ladolomite calcinée, le ferrosilicium et une matière contenant de l'alumine. Si l'on se réfère à la figure 1, des proportions appropriées de ladite matière d'alimentation sont introduites directement dans la zone de réaction 1 d'un plasma d'arc transféré 2, à un débit contrôlé, par l'entrée d'alimentation 3. La zone de réaction est chauffée par un plasma d'argon, produit électriquement, qui est dirigé dans le réacteur à partir d'une électrode centrale, creuse, en graphite 4. La sortie 5 est reliée à un récipient 6 qui est approprié pour recueillir le magnésium ou pour la combustion du magnésium pour le recueillir ultérieurement en tant qu'oxyde de magnésium (non représenté>. La température de la zone de réaction se situe, de préférence, aux environs de 10650C, tandis que la pression est, de préférence, la pression atmosphérique. On comprendra que l'application directe du plasma à la zone de réaction permet à la zone de réaction d'être chauffée à de très hautes températures, évitant ainsi, même à de faibles vitesses d'écoulement d'argon, la nécessité des conditions de vide indésirables. Le ferrosilicium usé et le laitier doivent être éliminés en continu du système par une sortie 7, convenablement disposée, tandis que l'on peut transférer la vapeur de magnésium formée à une unité de récupération du magnésium qui, pour des buts d'expérimentation, était constituée par un condenseur, un filtre et un piège d'acide 8, afin de permettre qu'un équilibrage complet des masses de magnésium soit effectué. On notera que la réaction est effectuée dans une atmosphère d'argon et que le réacteur est sensiblement étanche contre les fuites Le contact électrique est maintenu avec le bain par l'intermédiaire d'une contreélectrode ou d'une anode 9, le bain formant, par conséquent, partie intégrante du circuit électrique. Pour mieux faire comprendre l'invention, des essais expérimentaux effectués à ce jour seront discutés ci- après; les résultats obtenus sont également donnés ci-après. fZfafLR L'appareillage expérimental employé était un four & plasma d'arc transféré, qui consiste en une alimentation en courant continu de 50 kVA et en un réacteur ayant un débit normal se situant aux environs de i kg de magnésium produit par heure. L'élecrode 4, qui est, dans ce cas, la cathode, est traversée par un orifice axial pour l'alimentation en gaz argon. L'unité utilisait en fonctionnement 60 V et 700 A et, par conséquent, produisait une puissance d'approximativement 40 kW. L'électrode anodique pour l'arc à plasma est le bain de réacteur lui- même, comme indiqué ci-dessus. Les matières premières utilisées pour le travail expérimental étaient la dolomite calcinée, le ferrosilicium et l'alumine. La vitesse d'alimentation en matières premières totales était d'environ 5 kg/h dans le rapport massique de 77% de dolomite calcinée, 13% de ferrosilicium et 10% d'alumine. Les matières premières totales étaient introduites dans la zone de réaction au moyen de deux trémies d'alimentation hermétiques, chacune étant reliée à une alimentation en spirale du type Monaci (pour plus de détails à leur sujet, on se reportera au Brevet Sud Africain N' 84/0994). Les compositions réelles des matières premières sont données dans le Tableau 1. TABLEAU 1 Analyse Chimique en > en poids de la masse d'alimentation. L'argon a été introduit dans le débit total de 0,6 m /heure, comme gaz purge et de support du plasma. réacteur à un de balayage, de La pression de gaz à l'intérieur du réacteur était maintenue aux environs de la pression atmosphérique, autrement dit à approximativement 85 kPa, et les pressions partielles de l'argon et du magnésium gazeux étaient maintenues dans le rapport approximatif de 1 à 1. Bien qu'elle n'ait pu être déterminée avec précision, on s'attendait à ce que la température de la zone de réaction se situe aux environs de 10650C. IAlimentation MgO CaO SiO2 Al2 03 FeO Dolomite Dolomite 37,7 54,6 1,0 0,5 0,4 Calcinée Alumine99,4 Si Fe Al C Ca Ferro- Silicium 74,8 18,0 2,2 0,2 0,3 -t= =! La vapeur de magnésium a été condensée dans le récipient 6, pour produire le magnésium métal. L'analyse du magnésium condensé brut indiquait qu'un degré élevé de pureté, de 99,8%, peut être atteint par la réduction thermique dans le procédé conduit par plasma. Ce métal peut être raffiné en outrepour éliminer le calcium et les oxydes entraînés. Un autre avantage remarquable du fonctionnement a pression atmosphérique est la suppression de la vaporisation non désirée du manganèse et du silicium qui sont typiquement présents en des quantités de respectivement 0,03 et 0,02 pour cent. Celles-ci sont inférieures aux valeurs pour le procédé [agnetherm. Ainsi, un matériau comportant de la magnésie peut être utilisé dans ce procédé, avec des teneurs en manganèse plus élevées que ce ne serait le cas autrement. La composition réelle du métal magnésium condensé est donnée dans le Tableau 2. TABLEAU2 Analyse Chimique du produit Magnésium Condensé. Essai N. Composition en % en masse Mg Ca Si Al Fe Mn 1. 99,81 0,10 0,03 0,01 0,01 0,02 2. 99,84 0,08 0,02 0,01 0,01 0,03 3. 99,80 0,09 0,02 0,02 0,02 0,04 4. 99,80 0,10 0,02 0,02 0,02 0,02 La composition du laitier pour chaque essai est donné dans le Tableau 3. TABLEAU 3L Analyse Chimique du laitier- produit. La récupér chaque Essai, comme X de vapeur de Mg produite = Rendement du condenseur de magnésium a été calculée pour Mg dans l'alimentation - Mg dans le laitier ___________-_________________________________ Mg dans l'alimentation Mg condensé Vapeur de Mg produi __ t Vapeur de Mg produite Essai N . Composition en % en masse MgO CaO SiO2 A12 03 1. 7,9 53,3 23,3 12,7 2. 8,5 52,5 24,6 10,9 3. 4,7 56,2 22,3 12,9 4. 6,3 47,7 31,9 10,8 X 100 Les résultats de la récupération du magnésium sont donnés dans le Tableau 4. TABLEAU 4 Récupération du magnésium en % en masse Essai N'. Vapeur de Mg Rendement produite du condenseur 1. 78 38 2. 75 57 3. 89 64 4. 83 29 * Du magnésium a été perdu par combustion dans cet essai, lorsque le condenseur a été ouvert Les résultats de la récupération pour la vapeur de Xg produite se comparent favorablement avec la récupération de 83% rapportée pour le procédé Nagnetherm, lorsqu'on a à l'esprit l'échelle de ces essais et lorsqu'on considère la nature par lots de ces essais. On comprendra que les conditions exactes dans le réacteur doivent être choisies conformément aux exigences et un certain travail expérimental préalable Peut s'avérer nécessaire pour déterminer les conditions optimales dans le cadre de cette invention. On comprendra que l'utilisation d'un four à plasma d'arc transféré conduit à l'application directe de l'énergie thermique à la zone de réaction du réacteur. Par conséquent, des températures suffisament élevées peuvent être maintenues dans cette zone, offrant l'avantage d'un fonctionnement dans des conditions atmosphériques. De plus, la viscosité et la résistivité électrique du laitier deviennent des variables de moindre importance que dans le procédé Xagnetherm classique et, par conséquent, l'addition d'alumine peut être réduite, ou même on peut s'en dispenser. Ainsi, l'invention offre un procédé commode pour la production thermique du magnésium, qui atténue les problèmes de fuite sous vide des procédés de l'art antérieur et qui peut permettre un fonctionnement continu. On comprendra que de nombreux changements peuvent être apportés à l'invention sans que l'on s'écarte de son domaine, par exemple, le mélange d'alimentation en matières premières peut contenir d'autre sources d'oxyde de magnésium, telles que les scories métallurgiques, la magnésie calcinée ou la serpentine calcinée, ou, en variante, d'autres agents réducteurs, tels que l'aluminium, le calcium, le carbone, le silicium ou leurs combinaisons peuvent être employés, ou, en variante, le four peut contenir une électrode de tungstène refroidie par l'eau ou une électrode composite en cuivre et graphite, que l'on peut faire pénétrer progressivement dans le réacteur, pour compenser l'usure de l'électrode, ou le four peut fonctionner sur du courant alternatif. L'invention est limitée seulement & un procédé pour la production de magnésium dans un bain de four dans lequel les matières d'alimentation comprenant au moins de l'oxyde de magnésium et au moins des agents réducteurs sont introduits chacun, & une vitesse contrôlée, dans une zone de réaction du bain, la zone de réaction comprenant au moins un laitier fondu qui est directement chauffé au moyen d'un plasma thermique d'arc transféré à une température au moins au-dessus de la température minimale pour la réaction. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour la production continue de magnésium dans un bain de four, suivant lequel on introduit des matières d'alimentation solides comprenant au moins de l'oxyde de magnésium et au moins un agent réducteur, à une vitesse contrôlée, dans une zone de réaction du bain de four, la zone de réaction consistant en au moins un laitier fondu, dans lequel le magnésium gazeux est produit, la vapeur de magnésium étant récupérée comme requis, le procédé étant caractérisé par le fait qu'on chauffe directement la zone de réaction et le bain de four au moyen d'un plasma thermique d'arc transféré à l'égard duquel le bain de four fait partie intégrante du circuit électrique, le chauffage étant effectué à une température qui est au-moins au dessus de la température minimale de la réaction de réduction de l'oxyde de magnésium. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on utilise de la dolomite calcinée comme source d'oxyde de magnésium. 3 - Procédé selon l'une des revendications i et 2, caractérisé par le fait que l'agent réducteur comprend le ferrosilicium, ou l'aluminium, ou bien ces deux agents réducteurs à la fois. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'une ou plusieurs des matières d'alimentation sont préchauffées avant d'être introduites dans la zone de réaction. - Procédé selon l'une des revendications i à 4, caractérisé par le fait que le gaz formant le plasma nécessaire est l'argon. 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'argon est utilisé comme gaz de purge ou de balayage pour assurer l'exclusion de l'oxygène atmosphérique. 7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la pression qui règne dans le four est approximativement égale à la pression atmosphérique. 8 - Procédé selon l'une des revendications-l A 7, caractérisé par le fait que les matières d'alimentation comprennent, en pourcentages massiques, environ 77% de dolomite calcinée, environ 13% de ferrosilicium, et environ % d'alumine.