Brevet FR2860329A1 — publié le 20050401

La présente invention est relative à la production et au maintien à haute température d'un volume important de magma fondu en vue de simuler les phénomènes physico-chimiques que l'on observe en vulcanologie. On connaît depuis de nombreuses années un procédé de chauffage à haute température par réaction aluminothermique, dans lequel par la réaction fortement exothermique d'aluminium avec de l'oxyde de fer on obtient très rapidement du fer métallique et de l'oxyde d'aluminium liquides et surchauffés à environ 2500 C. Cette réaction exothermique est utilisée en particulier pour réaliser l'assemblage par soudage de rails. On sait que l'on peut employer d'autres réducteurs que l'Al, par exemple du Si, du Mg ou du Ca pour réduire d'autres oxydes métalliques que l'oxyde de fer par exemple MnO2, pour obtenir du Mn métallique. En vulcanologie, les roches formées par la cristallisation des magmas sont classées en quatre catégories: le basalte, l'andésite, la dacite et la rhyolite qui vont des magmas les plus fluides à environ 50 % de silice jusqu'aux plus visqueux contenant 70 % de silice. Le basalte contient plus de 50 % de SiO2 ainsi que des quantités significatives d'Al203, de CaO, de TiO2 et de MgO, il est donc fait usage, dans la présente invention, d'un mélange de réducteurs constitué de Si avec éventuellement de l'Al ainsi que parfois du Ti, Ca et Mg selon l'analyse et la température à obtenir. On trouvera ci-dessous les analyses pondérales moyennes des quatre roches volcaniques les plus courantes. Rhyolite Dacite Andesite Basalte SiO2 68 / 77 63 / 68 52 / 63 48 / 52 Moyenne % SiO2 71 67 62 51 Al203 13 14 16 17 CaO 4 3 6 9 MgO 1 3 3 7 Na2O 4 3 3 2 K20 4 4 3 1 FeO 2 5 6 11 TiO2 Ainsi qu'on peut le constater la teneur en SiO2 varie entre 48 et 52 % pour les basaltes alors que les magmas les plus visqueux peuvent atteindre une teneur de 71 % en SiO2. Il est bien connu que certains oxydes: Na2O, K20 et FeO augmentent considérablement la fluidité du magma liquide et il est donc important, pour obtenir la viscosité voulue, de contrôler les teneurs de ces oxydes dans le magma. La réaction de base consiste à réduire un oxyde métallique, par exemple de la magnétite Fe304, par la quantité appropriée d'Al selon la réaction: 3 Fe3O4 + 8 Al 9 Fe + 4 Al203 + 828 kcal (1) 3x232 + 8x27 9x56 + 4x102 696 g + 216 g 504 g + 408 g + 0.963 kWh Cette réaction fortement exothermique s'accompagne d'un dégagement de 207 kcal/mole d' Al203, ce qui porte l'ensemble du Fe et de 1' Al203 à plus de 2500 C. Ces deux éléments se séparent par suite de la grande différence de densité entre le Fe et l'alumine. On peut déduire de l'équation (1) que la réduction par 1 kg d'Al de 3.22 kg de Fe304 fournira 1.89 kg d' Al203, 2.33 kg de Fe et 4.46 kWh. Compte tenu des analyses visées, à savoir au moins 50 % de SiO2 et seulement 17 % d' Al203, 9% de CaO et 7 % de MgO, il faut, de préférence, mettre en oeuvre un mélange de réducteurs comprenant du Si, de l'Al, du Ca et du Mg dans des proportions telles que le magma liquide obtenu contienne les quantités désirées de SiO2, Al203, CaO et MgO, les quatre composés majeurs. Les composés mineurs: Na2O, K20, TiO2 et FeO, soit quelques %, sont en général ajoutés au magma sous forme d'oxydes, de carbonates, de silicates ou d'aluminates. Les réactions de réduction par Si, Ca et Mg sont moins exothermiques que la réduction par l'Al et sont reprises ci-dessous: Fe304 + 2 Si = 3 Fe + 2 SiO2 + 152kcal (2) 232 + 2x28 = 3x56 + 2x60 232 g + 56g 168g + 120g + 0.177 kWh On peut déduire de l'équation (2) que la réduction par 1 kg de Si de 4,14 kg de Fe304 fournira 2,14 kg de SiO2, 3 kg de Fe et 3.16 kWh. Fe304 + 4 Ca ' 3 Fe + 4 CaO + 340 kcal (3) 232 + 4x40 = 3x56 + 4x56 232 g + 160 g 168 g + 224 g + 0.395 kWh On peut déduire de l'équation (3) que la réduction par 1 kg de Ca de 1,45 kg de Fe304 fournira 1,40 kg de CaO, 1,05 kg de Fe et 2.47 kWh. Fe304 + 4 Mg 3Fe+4MgO+308kcal (4) 232 + 4x24 3x56 + 4x40 232 g + 96 g 168 g+ 160g+0.358 kWh On peut déduire de l'équation (4) que la réduction par 1 kg de Mg de 2,42 kg de Fe304 fournira 1.67 kg de MgO, 1.75 kg de Fe et 3.73 kWh. Calcul de la charge pour obtenir 100 kg de basalte. Basalte % Basalte % kg Oxygène Fe304 kWh Oxydes. Réducteurs kg kg SiO2 51 Si 23.8 98.5 75.2 Al203 17 Al 9.0 29.0 40.1 CaO 9 Ca 6.4 9.3 15.8 MgO 7 Mg 4.2 10.2 15.7 Majeurs 84 43.4 40.6 147.0 146.8 Na2O 2 K20 1 TiO2 2 FeO 11 Mineurs 16 Il faudra donc mettre en oeuvre pour 100 kg de basalte: 43.4 kg de réducteurs ( 23.8 kg Si, 9.0 kg Al, 6.4 kg Ca, et 4.2 kg Mg), 20 147 kg de Fe304 16 kg d'oxydes mineurs (2 kg Na2O, 1 kgK2O, 2 kg TiO2 et 11 kg FeO) En plus des 100 kg de basalte on obtiendra 106.4 kg de Fe et un dégagement d'énergie de 147 kWh. L'énergie à mettre en oeuvre pour porter à 1500 C 100 kg de basalte et 106 kg de 25 Fe étant théoriquement de 80 kWh on voit que l'on dispose d'un excès important d'énergie, environ 50 % de l'énergie dégagée par la réaction exothermique, ce qui permet de fondre les éléments mineurs et de surchauffer le basalte fondu et le Fe à 5 plus de 2000 C. Le dispositif mis en oeuvre est représenté en coupe à la figure 1. Le creuset est constitué d'un cylindre réfractaire 1, noyé dans une masse de béton 3. La partie supérieure du creuset 2 est le cratère. Le fond du creuset 12 est équipé d'un trou de coulée 7. Le creuset est muni de deux électrodes 6' et 6"connectées par les câbles 8' et 8" à un générateur 8. Le mélange silico-aluminothermique est introduit dans le creuset par le cratère 2. Lorsque l'on amorce la réaction, le fond du creuset se remplit d'un bain de Fe 9 et de lave 10 portés à très haute température. Le Fe et la lave se séparent par suite de leur grande différence de densité. La lave en fusion étant conductrice de l'électricité, le bain peut être maintenu à haute température sous l'action d'un courant électrique intense délivré par le générateur 8. La puissance électrique à mettre en oeuvre doit compenser les pertes par le fond et les parois latérales du creuset ainsi que le système de refroidissement des électrodes si elles sont refroidies, et surtout les pertes par rayonnement par le cratère. On peut aisément démontrer que ces pertes, variables en fonction de la température de la lave, peuvent atteindre 112 kW à 1500 C pour un cratère de 500 mm de diamètre. Le fond du creuset, comme représenté à la figure 2, peut également être constitué par une partie 12' coulissant à l'intérieur d'une lingotière 5 éventuellement refroidie par circulation d'eau par 5' et 5". La partie coulissante 12' est actionnée par le système hydraulique 4 qui comprend un circuit hydraulique 4' et 4". On peut de la sorte faire descendre ou monter le niveau de la lave liquide dans le creuset et par débordement provoquer une coulée de lave au cratère. Dans le cas du dispositif représenté à la figure 1 il est fait usage de 2 électrodes annulaires éventuellement refroidies par circulation d'eau, en variante, on peut faire usage à la partie supérieure du creuset de deux ou plusieurs segments annulaires connectés à un générateur monophasé dans le cas de 2 électrodes et à un générateur triphasé dans le cas de 3 segments annulaires. On compense de la sorte directement les pertes par rayonnement du cratère, les pertes par le fond et les parois latérales du creuset étant plus limitées lorsque l'ensemble du système est en équilibre. On peut utilement préchauffer le creuset par une première charge silico-aluminothermique, puis évacuer vers la lingotière 13 le Fe et la lave obtenus par cette première réaction avant de recharger le four avec une deuxième charge. A cet effet le creuset est utilement pourvu d'un trou de coulée 7 à sa partie inférieure. Ce trou de coulée est également utilisé pour la vidange du creuset entre 2 simulations ou avant son arrêt pour entretien. En vue de simuler les phénomènes violents de production de gaz et d'expulsion de lave en fusion il est fait usage d'un propulseur gazeux, par exemple de la vapeur d'eau produite par l'introduction d'une petite quantité d'eau au sein de la lave fondue. Cette introduction peut se faire par une lance 11. On peut également provoquer un dégagement soudain de CO2 ou de SO2 en introduisant par le haut un petit conteneur métallique contenant une pastille de carbonates ou de sulfates, on s'assure de la sorte que ces composés dégagent du CO2 ou du SO2 au sein. du bain fondu. On peut également constituer ces pastilles d'un mélange de carbonates ou de sulfates lesté de poudre de fer et agglomérées par un liant tel qu'un silicate alcalin. On a vu plus haut qu'il est particulièrement important, pour obtenir une viscosité correcte de la lave, de contrôler les teneurs en fondants: FeO, Na2O et K2O. S'il est aisé d'obtenir la teneur voulue en FeO en introduisant un excès d'oxyde de fer dans le mélange silicoaluminothermique, il faut par contre soigneusement éviter de mettre les composés de Na et K en présence de réducteurs énergiques tels que l'Al, le Mg et le Si. On constate en effet que les composés de Na et K sont très facilement réduits à l'état métallique et vaporisés. On attendra donc que tous les éléments réducteurs aient été consommés par l'oxyde de fer et que la température soit tombée en dessous de 1600 C avant d'ajouter les composés de Na et K à la lave fondue. Ces additions peuvent se faire sous forme d'oxydes, de carbonates, de silicates, d'aluminates ou de fluorures. Pour obtenir un bon démarrage de la réaction de réduction on peut disposer, comme décrit à la figure 3 et de manière connue en soi, au centre de la charge d'oxyde et de réducteurs une cartouche d'amorçage contenant un mélange 14 de potassium et d'aluminium ainsi qu'un fin fil fusible d'aluminium parcouru par un courant électrique fourni par le générateur d'amorçage 16. On a vu que l'on utilisait de préférence un réducteur à base de Si, par exemple du Si en poudre à 98 % de Si puisque le basalte à obtenir doit contenir au moins 50 % de SiO2 mais il est également possible d'introduire tout ou partie du Si sous forme d'un alliage moins réactif et moins coûteux tel que le ferro silicium. L' Al et le Mg peuvent être amenés sous forme de poudres pures à 98 % éventuellement passivées pour atténuer leur réactivité et limiter les risques lors des manipulations ou sous forme d'alliage Al Mg du type Magal ( 50 Al 50 Mg)ou encore sous forme de silicoaluminium à 40 % d'Al et 60 % Si. Quand au Ca il sera de préférence amené sous forme de CaSi contenant environ 30 % de Ca et 70 % de Si. Il va de soi que la présente description est donnée à titre d'exemple seulement et que d'autres moyens connus peuvent être mis en oeuvre pour effectuer le préchauffage, le chauffage et compenser les pertes thermiques du creuset, par exemple un couvercle isolé sur le cratère. On peut naturellement utiliser également d'autres moyens connus pour insuffler un gaz propulseur dans la lave liquide ou le métal fondu sous- jacent en faisant, par exemple, usage d'un bouchon poreux immergé. Revendications 1) Procédé de production d'un bain de lave volcanique dans un four muni d'un creuset réfractaire caractérisé en ce que l'énergie nécessaire à la fusion de la lave est apportée par la réduction exothermique d'un oxyde métallique et d'un réducteur, le métal produit étant séparé de la lave par gravité et récolté à la partie inférieure du creuset. 2) Procédé tel que décrit à la revendication 1 caractérisé en ce que l'oxyde métallique est un oxyde de Fe ou de Mn ou un mélange de ces oxydes, le réducteur étant constitué de Si ou d' Al ou d'un mélange de Si et d'Al. 3) Procédé tel que décrit à la revendication 2 caractérisé en ce que le mélange de réducteurs contient en outre un ou plusieurs réducteurs tels que Ca, Mg ou Ti. 4) Procédé tel que décrit à la revendication 2 ou 3 ci-dessus caractérisé en ce que certains oxydes constituant la lave à savoir Al2O3, CaO, MgO, TiO2, sont en tout ou en partie ajoutés sous forme d'oxydes avant la réaction de réduction. 5) . Procédé tel que décrit à la revendication 2, 3 ou 4 ci-dessus, caractérisé en ce que les oxydes Na2O et K2O sont ajoutés au mélange silicothermique sous forme d'oxydes ou de composés après que la réaction de réduction soit terminée. 6) Procédé tel que décrit aux revendication 1 à 5 ci-dessus caractérisé en ce que tout ou partie des composés Al2O3, CaO, MgO et TiO2 constituant la lave sont apportés par la réaction exothermique supplémentaire entre de l'oxyde de Fe ou de Mn et les éléments réducteurs Al, Ca, Mg et Ti. 7) Procédé tel que décrit à la revendication 5 ci-dessus caractérisé en ce que les oxydes facilement réductibles et vaporisables tels que Na2O et K2O sont ajoutés sous forme d'oxydes, de carbonates, de silicates ou d'aluminates lorsque tous les éléments réducteurs ont été préalablement consommés par la réduction des oxydes de Fe ou de Mn. 8) Procédé tel que décrit à une des revendications 1 à 4 ci-dessus, caractérisé en ce que le creuset est préchauffé par une ou plusieurs charges, la lave et le métal fondu étant évacués par le trou de coulée après avoir préchauffé le revêtement réfractaire du creuset. 9) Procédé tel que décrit à la revendication 8 ci-dessus, caractérisé en ce que la ou les charges de préchauffage sont constituées d'un mélange hautement exothermique d'oxyde de fer et d'Al additionné de fondants tels que CaF2 ou 13203 afm que la lave obtenue à base d' Al203 présente une bonne fluidité facilitant l'évacuation par le trou de coulée. 10) Procédé tel que décrit à une des revendications ci-dessus, caractérisé en ce que le bain de lave et de métal obtenus soient maintenus à haute température par un 10 procédé électrothermique d'appoint. 11) Procédé tel que décrit à la revendication 10 ci-dessus, caractérisé en ce que le procédé électrothermique mis en oeuvre comprenne un générateur monophasé ou triphasé mettant en oeuvre deux ou plusieurs électrodes alimentées par ce générateur. 12) Procédé tel que décrit à une des revendications ci-dessus caractérisé en ce que la réaction exothermique soit déclenchée par un arc électrique. 13) Procédé tel que décrit à une des revendications ci-dessus, caractérisé en ce que le déclenchement de la réaction exothermique soit obtenue par une charge d'appoint constituée d'Al et de permanganate disposée au sein de la charge 20 principale. 14) Procédé tel que décrit à une des revendications ci-dessus, caractérisé en ce que l'amorçage soit déclenché par un fil fusible au sein de la charge d'amorçage. 15) Procédé tel que décrit à une des revendications ci-dessus, caractérisé en ce que l'on introduit au sein de la masse liquide un gas propulseur introduit par une 25 lance, un insert poreux ou une pastille. 16) Procédé tel que décrit à une des revendications ci-dessus,caractérisé en ce que l'on fait varier le niveau de lave dans le creuset en agissant sur le fond du creuset. 17) Dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 à 30 16 ci- dessus.