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',.'EC'.L'IUN:ÏEh!'Lt1' DANS LA M1!;rrFODE DE PROPAGATION
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DES REl>.CT1(JNS ELMTRUTHERMIQUES ".
L'invention se rapporte à une méthode de propa- gation des réactions électrothermiques, et plus particuliè- rement à la propagation, sous des températures élevées des réactions chimiques endothermiques, ou de celles exigenat de la chaleur, dans les mélanges de matières solides pouvant réagir ensemble.
On connaît sous le nom d'électrothermie la branche de la technologie qui traite de la propagation des réactions au moyen de la chaleur obtenue par transformation de l'éner-
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gie électrique. Les réactions électrothermiques s'adressent
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habituellement à l'empoi de le chaleur dans la rcacti.on, plu- tôt qu'à l'emploi de quelque effet électrique spécifique, ce qui est le cas des réactions électrolytiques. On peut cepen- dant utiliser le principal effet électrique dans certains types de procédés électrothermiques. Jusqu'ici, on a eu l'ha- @itude de propager les réactions électrothermiques par trois modes de transformation d'énergie, qui semblent épuiser les possibilités.
Certaines actions sont effectuées dans des fours à résistance, dans lesquels on obtient l'effet de chauffage par la résistance que présente un conducteur au courant élec- trique. D'autres actions se propagent dans des fours à induc- tion dans lesquels la matière à traiter constitue le secondai- re d'un transformateur à courant alternatif. Le troisième procède de transformation de l'énergie électrique en énergie calorique emploie l'arc électrique. C'est à. ce dernier procé- de que se rapporte princ@@alment la présente invention.
La valeur principale des éthodes de chauffage électrothermique consiste dans ce fait qu'elles donnent un @oyen pour obtenir de hautes températuresen l'absence d'im- puretés. L'expérience a montré que les procédés électrother- sont nécessairespour les réactions qui ont lieu au- dessus de 1.400 C. et qu'ils sont préférables lorsqu'on désire obtenir des produits très purs.
Sauf quand les con- ditions économiques sont défavorables, on peut employer des procédés électrothermiques car ils permettent d'obtenir un nouveau produit ou un produit encore plus pur. 'On comprendra bien naturellement que l'on reut employer les autres méthodes en liaison avec l'électrothermie afin d'obtenir des produits purifiés;
on peut indiquer les procédés électrothermiques bien /
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que l'on n'emploie pas la baute température de l'arc, qui peut -lier au-dessus de 3.000 C. malgré ces avantages bien reconnus, les prix comparatifsde l'énergie électrique et des combustibles ont empêché un plus grand développement de 1'électrothermie, car la plupart de ces procédés ont malheureusement un faible ren- dement thermique . On atteint dans quelques cas particuliers des rendements élevés. Toutefois, dans la plupart des cas des rendements même inférieurs à 5 % sont communs.
On comprendra donc aisément qu'il est désirable d'avoir un moyen d'augmenter le rendement thermique final de la reaction. Une difficulté habituelle dans ce sens réside dans ce fait que, d'après la pratique actuelle, la chaleur de l'arc n'est pas donnée avec une rapidité suffisante à la matière à traiter afin de pro- duire la réaction voulue. la chaleur tend à rayonner à l'ex- térieur de l'appareil plutôt qu'à l'intérieur. On doit encore remarquer ceci.
Le fait que beaucoup de procédés par l'arc électrique dépendent du rayonnement de l'arc au bâti constitue une grande difficulté pour obtenir des rendements plus élevés par des moyens ordinaires et empêche la propagation de ces réactions qui peuvent seulement avoir lieu dans la partie la plus chaude du four, c'est-à-dire à l'intérieur de l'arc lui- même .
Ces considérations étant faites on peut dire main- tenant que la présente invention fournit certains perfec-
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tioruienefits à la technique des procédés éleotrothermiques. Le rendement en est augmenté. De plus, en utilisant le maximum de temperature existant dans 7¯' arc lui-même, on peut aussi propager certaines réactions nouvelles.
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A un autre point de vue, l'invention embrasse le traitement des matières que l'on ne peut employer comme ma- tières premières utilisant des méthodes ordinaires. Un pro- blème commun dans l'industrie métallurgique aussi bien que dans l'industrie électrothermique consiste dans l'utilisation de matières fines contenant les matières voulues, tout en n'étant pas utilisables rarce que très divisées. On sait bien que ces matières, telles que les escarbilles des cheminées des hauts-fourneaux, les scories d'aluminium, etc., contiennent des pourcentages élevés de metal utilisable, mais il est ex- trêmement difficile de fondre et de récupérer ces poussières.
De telles substances mises dans un bain de metal fondu, ou soumises à un courant de gaz chauds, sont rapidement disper- sées. Elles son,,: ainsi eloignées de la sphère où la réaction a lieu avant mène de pouvoir être traitées. Suivant la pré- sente invention, on donne des moyens pour traiter par la cha- leur ces escarbilles perdues, et pour s'assurer en même temps que la réaction voulue a lieu.
A un autre point de vue encore, l'invention peut être considérée comme donnant des moyens perfectionnés pour commander les réactions entre matières réactives solides, ou entre des matières solides et des matières gazeuses. Jusqu'ici on a proposé d'a@imenter la charge d'un four, chauffé soit électriquement, soit au moyen de combustibles gazeux, en em- ployant une trémie verticale à travers laquelle la charge peut tomber par gravité. On emploie cette manipulation dans le fonctionnement ordinaire des hauts-fourneaux. Dans ceux- ci on donne une charge de minerai, de fondant et de charbon au moyen d'une trémie située au sommet du fourneau.
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Suivant la présente invention, on évite de pré- férence ces dispositifs d'alimentation par gravité. En effet, ils ne permettent pas le traitement de la manière voulue de nombreuses substances que l'invention peut concerner à d'au- tres points de vue. Ils ne permettent pas non plus une com- mande convenable. Les réactions entre particules de matières solides sont notoirement lentes. Cela tient au fait que ces particules ne peuvent réagir qu'une fois en contact les unes avec les autres. En réduisant ces particules solides réactives à l'état de fine division, et en les mélangeant de façon à avoir pratiquement un mélange homogène, on est dans la situation où la surface de contact est considérablement augmenté. Les diverses réactions se propagent d'une manière beaucoup plus rapide et efficace quoiqu'il en soit.
Lorsque l'on traite des charges réactives ainsi mélangées, on doit se rappeler qu'il est/nécessaire d'avoir des moyens de com- mander les proportions de la réaction. En d'autres termes, la réaction doit se faire assez vite par endroits et ne doit pas avoir lieu en d'autres points du mélange. Suivant l'in- vention, on fournit un ensemble de moyens permettant à la charge de se déplacer progressivement dans des conditions voulues et dans la zone de réaction. On peut ainsi obtenir un contrôle satisfaisant de la réaction entière.
On comprendra mieux les quelques traits qui sui- vent ainsi que d'autres qu'il n'est pas nécessaire de traiter ici spécifiquement, en considérant une application de l'in- vention à des procédés particuliers. On décrira d'abord le four dans lequel les réactions peuvent se propager. On com- prendra bien que le type d'appareil que l'on va décrire est susceptible de nombreuses variantes et modifications suivant
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les différentes méthodes de traitement des diverses substan- ces.
L'unique figure du dessin représente une coupe d'un four électrique de construction carrée. Le chiffre 10 représente un bâti de plaques métalliques à l'intérieur, du- quel se trouvent les couches de matières réfractaires telle qu'une couche de magnésite 11 avec un revêtement de briques 12. Le four a deux ouvertures disposées axialement 13 et 14 pour permettre l'introduction des électrodes 15 et 16 . Une ouverture 17 est ménagée dans le toit du four. Il y aura avan- tage à la placer juste au-dessus des extrémités des électro- des pour permettre l'évacuation des gaz du four. Un trou de vidange pour les matières obtenues est prévu dans la paroi inférieure de ce four, suivant la pratique habituelle.
L'électrode 15 est en graphite et peut être en- tièrement solide. Pour permettre le mouvement longitudinal, on monte l'électrode sur un tablier de support 18. Ce tablier eut être fixé à la paroi latérale du four au moyen d'une lu- nette pouvant coulisser. On manoeuvre cette lunette de la ma- nière habituelle au moyen d'une roue ayant une poignée 21, cette roue commandant un ensemble vis et écrou 22. L'électro- de 15 est solidement fixée dans la lunette au moyen d'un crampon ayant la forme d'un 0 23. A ce crampon on peut fixer un fil 24 amenant le courant électrique. On peut sceller par de la terre réfractaire l'espace compris entre l'électrode 15 et l'ouverture 13.
L'électrode 16 est formée d'un creux longitudinal.
Elle est munie a son extrémité extérieure d'un épaulement fileté 27 qui s'engage dans les filets dont est munie l'ex-
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trémité d'une enveloppe servant à l'alimentation 28 placée
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horizontalement....;ug.lr.81()ppo 28 pluoôo L'en- veloppe 28 est montée dans une lunette 29 semblable à 19 et mise sur un support 30 fixé lui-même à la paroi latérale du four . L'enveloppe 28 présente un creux élargi 31 . Dans ce creux se trouve un convoyeur à vis à ajustage serré 32 for- mé sur un arbre 33 en saillie à l'extérieur.de l'enveloppe.
L'extrémité de l'arbre repose sur des paliers (représentés schématiquement) et porte une roue d'entraînement 34 permet.-- tant de faire tourner la vis. L'arbre 33 est muni d'un creux longitudinal 35 communiquant au moyen d'ouvertures latérales aux divers points situés le long de la vis. L'extrémité ex- térieure du creux 35 communique avec un tuyau flexible 37 qui assure l'introduction de quantités réglées de gaz dans le creux 26 de l'électrode 16; on dispose une trémie 38 sur la partie supérieure de l'enveloppe 28. Elle permet d'introdui- re les matières solides jusqu'à la vis 32 et par elle dans le four.
En fonctionnement, l'arc jaillit entre les élec- trodes 15 et 16 en rapprochant l'électrode mobile 15 de façon à la mettre en contact avec l'électrode 16 puis en l'éloi- gnant de la distance voulue. On effectue cette manoeuvre en se servant de la roue à poignée 21 que l'on peut ensuite action- ner de temps à autre pour faire rentrer l'électrode dans le four et commander la densité de l'arc. Pendant le fonction- nement les électrodes s'usent en effet, et un tel dispositif de réglage est nécessaire. Les deux électrodes peuvent être réglables et munies de creux longitudinaux. Toutefois l'arran- gement que représente le dessin a l'avantage de la simplicité.
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Il se prête de plus assez bien à l'expérience.
On introduit alors une charge de matière solide telle que de l'hématite finement divisée, et' mélangée, de la chaux, du coke, dans l'arc par l'intermédiaire d'une trémie 38. Progressivement la charge est'transportée dans l'intérieur du creux 26 de l'électrode par la rotation dé la vis 32. La partie de l'électrode 16 située à l'intérieur du four est extrêmement chaude. La réaction dans la charge a lieu quand celle-ci passe à travers le.creux 26 et dans l'arc. La proportion de réaction est déterminée par la va- riation de vitesse de la vis 32, les dimensions des parti- cules qui composent la charge ainsi que par la proportion de la charge dans la trémie. L'alimentation en matière de chargement par le conduit 26 est obligatoirement commandée.
Sa température croit pendant sa marche jusqu'au point où la réaction voulue se produit.
On emploie avantageusement dans de nombreux cas le dispositif d'alimentation en gaz 37. Dans quelques cas on peut introduire un gaz comme une substance entrant en réac- tion ou aidant à cette réaction, et ayant ainsi une fonc- tion chimique. Dans d'autres cas, le gaz a un rôle purement mécanique. L'addition du gaz producteur ou de 00 a la charge du minerai¯de fer, de fondant et de charbon, comme on l'a déjà dit, peut être pris comme un exemple des deux rôles joués à la fois. La réduction du minerai à l'état de métal est ac- compagnée d'un dégagement de 00 et de CO2 qui passent-par la cheminée 17. On les y prend pour les utiliser.
Une fai- ble partie de ces gaz peut être aspirée par le tuyau 37 et s' échappe dans la charge qui arrive par les trous 35 et 36 mé-
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nagés dans l'arbre de la vis 33. Les gaz se mêlent avec la matière solide et maintiennent sa légèreté, ce qui permet le passage de la charge dans la partie chaude de l'électro- de 16. A la'température inférieure que l'on rencontre à la paroi du four, ces gaz établissent ou accélèrent une réaction à basse température parmi les corps qui composent la charge, ayant par là un rôle chimique. La pression des gaz à l'in- térieur et autour de la vis 32 réduit aussi la tendance que la charge possède de descendre dans la trémie par suite de la pression plus élevée des gaz à l'intérieur du conduit 26 en ses partiesplus chaudes.
La Charge,réactive après avoir passé dans le con- duit chaud, est avantageusement éjectée directement dans l'arc lui-même. Puisqu'on ne peut pas introduire directement des matières pulvérulentes dans l'arc, on comprendra bien qu'en raison de l'augraentation progressive de la température à laquel- le la matière a déjà été soumise, elle est, au moment de Déjection, soit à l'état fluide soit à l'état gazeux. Si la matière est fluide, elle tombe à travers l'arc en une mare liquide sur le foyer du four, d'où on peut l'extraire soit de temps en temps, soit d'une manière continue. Les gaz s'é- chappent par la cheminée 17 et peuvent être recueillis par divers.procédés convenables.
En parlant plus haut du caractère de la charge de matière solide on peut expliquer que ces mots de défini- .tion ont été employés pour le but à atteindre. Par matière fine on entend de la matière solide réduite en particules présentant la surface suffisante leur permettant de réagir avec les autres particules solides et cela d'une manière as-
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sez rapide. Ces particules ne peuvent être injectées ou obli- gées à passer dans une zone chaude sans être soufflées. On. peut les utiliser de toutes les manières connues dans la mé- tallurgie moderne. Les particules doivent naturellement être assez finement divisées pour passer à l'intérieur de l'électro- de sans adhérer les unes aux autres, si on désire un fonction- nement satisfaisant.
Il n'y a pratiquement aucune limite inférieure à la dimension des particules, car de telles ma- nières que les escarbilles peuvent être directement mani- . pulées sans briquettage préalable. En pratique les conditions et les facteurs économiques doimeront ledegré de division qui convient le mieux dans chaque cas particulier.
De même l'invention prévoit le mélange de la char- ge de façon à obtenir un tout homogène. Cette nondition per- met d'atteindre un grand rendement dans la réaction, bien qu' il puisse exister des cas dans lesquels les frais de mani- pulation nécessitent un mélange moins intime.
Quant aux électrodes, il est bien évident que l'on peut en employer plus de deux. Leur nombre doit être choisi de façon à servir de conduites de charge. Il n'est pas obli- gatoire d'utiliser une électrode creuse comme conduit de char- gement, mais dans la plupart des cas, on a trouvé que c'é- tait la meilleure façon de procéder. Le graphite est extrême- ment réfractaire. Il résiste bien aux réactions se produisant à l'intérieur du conduit et convient bien pour cet usage. Si on le désire cependant, ou employer une conduite d'alimen- tation séparée débouchant à l'intérieur ou en un point voisin du point chaud du four.
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La position des électrodes est, quoiqu'il en soit, étroitement reliée à l'exercice d'une commande convenable. La position horizontale est la meilleure. La position verticale ne convient pas du tout. Les électrodes disposées verticale- ment jouent le rôle des trémies dans lesquelles la charge tombe par gravité. Avec des électrodes horizontales, on peut exercer un contrôle sévère. On a trouvé que les avantages que présentent les électrodes inclinées soit vers le haut soit vers le bas, étaient, dans la plupart des cas, inférieurs à leurs inconvénients. On peut avoir recours à des électrodes inclinées occasionnellement et dans des cas spéciaux.
On peut régler la pression à l'intérieur du four en mettantun registre dans la cheminée 17. La pression étant inférieure à la pression atmosphérique, il y aura une légère perte d'air dans le four, mais on peut dans ce cas récupérer tous les gaz combustibles. Des pressions plus élevées crée- ront une fuite vers l'extérieur mais protégeront les produits de la réaction de tout contact avec l'oxygène ou l'azote. Il y aurait dans ce cas danger d'empoisonnement des ouvriers.
Oes considérations étant faites, on ne croit pas nécessaire de discuter en détail les autres altérations ou con- dit-ions variées de fonctionnement qui peuvent se présenter quand on réalise l'invention. On décrira maintenant l'invention suivant le traitement des matières. diverses pour former des produits métallurgiques ou électrothermiques.
On s'est déjà reféré à la réaction type : mé- tallique + charbon + métal produisant la chaleur + oxyde de carbone dans la fabrication des fontes de première fusion.
On peut dire qu'en fabriquant cette fonte suivant l'invention /
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on peut obtenir un métal qui est exceptionnellement dépourvu de tout sulfure et de toute autre impureté, d'une faible te- neur en charbon et montrant une excellente cassure et une structure cristalline. Il n'y a aucune difficulté pour sé- parer le méta-1 de sa gangue. Alors que des conditions éco- nomiques peuvent militer contre l'usage étendu de l'invention pour le traitement de l'hémalite pure (que l'on peut réduire dans le haut-fourneau) elle peut néanmoins s'appliquer pour la récupération des escarbilles et poussières obtenues main- tenant comme produits perdus dans l'industrie de haut-four- neau.
Ces matières riches en fer, sont si fines qu'elles ne peuvent être traitées d'une manière satisfaisante par les mé- thodes métallurgiques actuelles. On a récupéré du métal -des escarbilles sans avoir une perte quelconque de matière brute à cause des courants qui se produisent et éloignent la poudre de la zone de réaction.
L'invention s'applique d'elle-même aux ferro-allia- ges. On a rencontré, par exemple, dans la fabrication des ferro-manganèses, les conditions suivantes. En travaillant avec des électrodes de graphite de 10 centimètres ayant des ouvertures de 37 c/m, on a trouvé que l'arc absorbe initia- lement un grand courant. Ce courant varie entre 1.000 et 2.000 ampères. La décharge s'accompagne d'un crépitement et d'un bruit considérables. On a employé une charge faite de pro- portions habituelles de fer et de pyrolusite mélangés avec une masse de charbon légèrement supérieure au chiffre théori- que, et avec la quantité normale de fondant.
Comme les ma- tières se déplacent à travers l'arc, la consommation de cou-
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rant diminue considérablement et le bruit emis par l'arc peut être comparé avec justesse au ronflement tranquille et ré- gulier d'un moteur d'automobile ayant un bon silencieux. L'ex- cès de charbon, employé pour empêcher toute corrosion nuisi- ble de l'électrode de graphite, n'a aucun effet néfaste sur la pureté du produit final. Une masse de ferromanganèse ob- tenu par ce procédé a donné à l'analyse une proportion de 0,37 pour cent de charbon. Le pourcentage des autres impuretés habituelles était extrêmement faible.
Endépit de la tendance que possède le silicium de réagir sur le graphite aux températures élevées, on a pu obtenir sans difficulté un ferro-silicium suivant la présente invention. La charge peut consister de sable pur, de fragments de fer de charbon et de fondant. Le produit obtenu a les mê- mes avantages physiques et chimiques que ceux énumérés ci- dessus. On n'a éprouvé aucune difficulté due à la corrosion de l'électrode. On a observé, au contraire que le creux de l'électrode présentait une surface unie en fin d'opération.
Les différents ferro-alliages, soit binaires, soit tertiaires peuvent être obtenus de la même manière. Il est donc superflu d'accumuler les exemples..
Dans la fabrication du carbure de calcium par l'ac- tion de la chaux sur le charbon, il vaut mieux se servir d'une électrode présentant un grand creux. Des électrodes de vingt centimètres ayant une ouverture de douze centimètres et demi conviennent. Initialement l'électrode entre en réaction et l'on peut s'attendre à une légère détérioration de cette élec- trode. Cependant sa surface ne doit pas devenir assez rugueuse pour empêcher le passage continu de la charge. L'emploi d'un
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gaz, lui donnant de la légèreté, est .-lors indiqué. L'emploi de matière finement pulvérisée est encore conseillé dans ce cas.
Les carbures des métaux plus lourds ont une grande valeur à cause de leur dureté, et peuvent être obtenus de la même manière. Dans la fabrication du carbure de tungstène utilisé ensuite dans les aciers à outil, on constitue la char- ge de fragments de tungstène, de ferro-tungstène avec un lé- ger excès de charbon, afin de protéger l'électrode. Jusqu'à maintenant on n'a obtenu ce corps qu'avec une très grande difficulté, due à la température extrêmement élevée néces- saire à cette réaction. On a obtenu jusqu'ici ce corps sous - la forme de très petites particules que l'on rassemble dans une matrice d'un métal ayant un point de fusion inférieur, tel que le cobalt. En fabriquant le carburé de tungstène suivant l'invention, on emploie un arc aussi chaud que pos- sible, un chargement réduit finement en poussière .
Il vaut mieux déplacer cette charge lentement dans le conduit. Tout ceci est fait afin d'avoir un produit de réaction coulant facilement. Dans ce produit le carbure de tungstène peut former une masse continue liquide ou semi-liquide ainsi qu'une substance plastique déposée sur le foyer de l'arc. Le produit qui se forme sur le foyer du four comprend de grandes quan- tités de carbure de tungstène. On peut l'enlever et l'em- ployer dans l'industrie sans utiliser une matrice. On remar- que ce produit en particulier comme étant un exemple des avantages qui dérivent de l'emploi de la température maximum de l'arc, au lieu d'utiliser seulement ses radiations.
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Le procédé précédent n'empêche évidemment pas l'in- troduction de matières additionnelles dans le produit final de la réaction.
Les abrasifs silicieux, tels que le siliciure de bore peuvent être obtenus de la même manière. Le meilleur procédé de fabrication du carbure de silicium ou c arborandum, est l'emploi d'un arc de faible densité dans le but d'évi- ter la dissociation du produit final en silicium et en car- bone .
En commandant d'une façon convenable la charge de silice et de charbon on peut, comme on l'a établi déjà ; produire du carborandum on peut encore, en employant des tem- pératures élevées libérer le silicium sous la phase vapeur.
On recueille les vapeurs au moyen d'un condenseur convenable relié à la cheminée d'échappement 17. En travaillant avec les produits de silicium, on a trouvé que les réactions ini- tiales qui ont lieu entre l'électrode de graphite et la si- lice forment une couche de protection empêchant les pertes d'électrodes. On peut par le même procédé obtenir d'autres produits à l'état de vapeur, tels que de la poudre de zinc.
Par les exemples qui précèdent on comprendra bien que l'invention s'applique aux divers usages spécifiques. Dans ces usages sont compris la réduction des minerais complexes de nickel et de fer, la fabrication de l'affinage des métaux, la fixation de l'azote de l'air par l'emploi de la cyanamide, la préparation des divers alliages, des carbures, des siliciu- res, la récupération des matières pulvérulentes, et diverses autres conditions .appartenant au champ métallurgique et élec-
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trothermique. Cependant de tels détails d'utilisation appa- raîtront aux techniciens. Ces spécifications rentrent dans l'esprit de l'invention.
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The invention relates to a method for the propagation of electrothermal reactions, and more particularly to the propagation, under high temperatures, of endothermic chemical reactions, or of those requiring heat, in mixtures of solid materials capable of reacting. together.
The branch of technology which deals with the propagation of reactions by means of heat obtained by the transformation of energy is known as electrothermal energy.
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electric power. Electrothermal reactions are aimed
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usually to the use of heat in the reaction, rather than to the use of some specific electric effect, which is the case with electrolytic reactions. The main electrical effect can, however, be used in certain types of electrothermal processes. Up to now, we have had the habit of propagating electrothermal reactions by three modes of energy transformation, which seem to exhaust the possibilities.
Certain actions are carried out in resistance furnaces, in which the heating effect is obtained by the resistance of a conductor to the electric current. Other actions are propagated in induction furnaces in which the material to be treated constitutes the back-up of an alternating current transformer. The third is the transformation of electrical energy into heat energy using the electric arc. It is at. the latter process is mainly related to the present invention.
The main value of electrothermal heating methods is that they provide a means of obtaining high temperatures in the absence of impurities. Experience has shown that electrothermal processes are necessary for reactions which take place above 1400 ° C. and that they are preferable when it is desired to obtain very pure products.
Except when the economic conditions are unfavorable, electrothermal processes can be used because they allow a new product or an even purer product to be obtained. It will naturally be understood that the other methods can be used in conjunction with electrothermal energy in order to obtain purified products;
one can indicate the electrothermal processes well /
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that one does not use the high temperature of the arc, which can be above 3,000 C. Despite these well recognized advantages, the comparative prices of electric power and fuels have prevented a greater development of Electrothermal energy, since unfortunately most of these processes have a low thermal efficiency. High yields are achieved in a few special cases. However, in most cases even less than 5% yields are common.
It will therefore be readily understood that it is desirable to have a means of increasing the final thermal efficiency of the reaction. A common difficulty in this sense is that, according to present practice, the heat of the arc is not imparted with sufficient rapidity to the material to be treated to produce the desired reaction. heat tends to radiate outside the appliance rather than inside. We still have to notice this.
The fact that many electric arc processes depend on the radiation from the arc to the frame constitutes a great difficulty in obtaining higher yields by ordinary means and prevents the propagation of these reactions which can only take place in the weak part. hotter in the oven, that is, inside the arc itself.
These considerations being made it can now be said that the present invention provides certain improvements.
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tioruienefits to the technique of electro-thermal processes. The yield is increased. Moreover, by using the maximum temperature existing in 7¯ 'arc itself, we can also propagate certain new reactions.
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From another point of view, the invention embraces the treatment of materials which cannot be employed as raw materials using ordinary methods. A common problem in the metallurgical industry as well as in the electrothermal industry is the use of fine materials containing the desired materials, while not being usable, but very divided. It is well known that these materials, such as blast furnace smokestack, aluminum slag, etc., contain high percentages of usable metal, but it is extremely difficult to melt and recover such dust.
Such substances placed in a bath of molten metal, or subjected to a stream of hot gases, are rapidly dispersed. They are,: thus removed from the sphere where the reaction takes place before it can be processed. In accordance with the present invention, means are provided for heat-treating these waste cinders, and at the same time ensuring that the desired reaction takes place.
From still another point of view, the invention may be regarded as providing improved means for controlling reactions between solid reactive materials, or between solids and gaseous materials. Hitherto it has been proposed to feed the charge of a furnace, heated either electrically or by means of gaseous fuels, by employing a vertical hopper through which the charge can fall by gravity. This manipulation is used in the ordinary operation of blast furnaces. In these a charge of ore, flux and coal is given by means of a hopper located at the top of the furnace.
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In accordance with the present invention, these gravity feed devices are preferably avoided. In fact, they do not allow the treatment in the desired manner of numerous substances which the invention may relate to from other points of view. They also do not allow proper control. Reactions between particles of solid matter are notoriously slow. This is because these particles can only react when they come into contact with each other. By reducing these reactive solid particles to the state of fine division, and by mixing them so as to have practically a homogeneous mixture, we are in the situation where the contact surface is considerably increased. The various reactions propagate in a much faster and more efficient manner anyway.
When dealing with reactive feeds so mixed, it should be remembered that there is a need for some means to control the proportions of the reaction. In other words, the reaction must take place fairly quickly in places and must not take place at other points in the mixture. In accordance with the invention, there is provided a set of means allowing the charge to move gradually under desired conditions and in the reaction zone. Satisfactory control of the entire reaction can thus be obtained.
The following few features, as well as others which need not be specifically addressed here, will be better understood by considering an application of the invention to particular processes. We will first describe the furnace in which the reactions can be propagated. It will be understood that the type of apparatus which will be described is susceptible of numerous variants and modifications according to
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the different methods of treating the various substances.
The only figure in the drawing represents a section of an electric furnace of square construction. The numeral 10 represents a frame of metal plates inside, of which are the layers of refractory material such as a layer of magnesite 11 with a coating of bricks 12. The furnace has two axially arranged openings 13 and 14 for allow the introduction of electrodes 15 and 16. An opening 17 is made in the roof of the oven. It will be advantageous to place it just above the ends of the electrodes to allow the gas to escape from the oven. A drain hole for the materials obtained is provided in the lower wall of this furnace, following the usual practice.
Electrode 15 is graphite and may be completely solid. To allow longitudinal movement, the electrode is mounted on a support apron 18. This apron could be fixed to the side wall of the furnace by means of a sliding glass. This telescope is operated in the usual manner by means of a wheel having a handle 21, this wheel controlling a screw and nut assembly 22. The electrode 15 is firmly fixed in the telescope by means of a crampon having the shape of a 0 23. A wire 24 can be attached to this clamp carrying the electric current. The space between the electrode 15 and the opening 13 can be sealed with refractory earth.
The electrode 16 is formed of a longitudinal hollow.
It is provided at its outer end with a threaded shoulder 27 which engages in the threads with which the former is provided.
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end of a casing used for feeding 28 placed
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horizontally ....; ug.lr.81 () ppo 28 pluoôo The casing 28 is mounted in a telescope 29 similar to 19 and placed on a support 30 itself fixed to the side wall of the oven. The envelope 28 has a widened hollow 31. In this recess is an interference fit screw conveyor 32 formed on a shaft 33 projecting outside the casing.
The end of the shaft rests on bearings (shown schematically) and carries a drive wheel 34 which allows the screw to turn. The shaft 33 is provided with a longitudinal hollow 35 communicating by means of lateral openings at the various points situated along the screw. The outer end of the trough 35 communicates with a flexible pipe 37 which provides for the introduction of controlled amounts of gas into the trough 26 of the electrode 16; a hopper 38 is placed on the upper part of the casing 28. It allows the solids to be introduced as far as the screw 32 and through it into the oven.
In operation, the arc shoots between the electrodes 15 and 16, bringing the movable electrode 15 together so as to bring it into contact with the electrode 16 and then moving it the desired distance. This is done by using the handle wheel 21 which can then be operated from time to time to force the electrode into the furnace and control the density of the arc. During operation, the electrodes wear out, and such an adjustment device is necessary. The two electrodes can be adjustable and provided with longitudinal recesses. However, the arrangement represented by the drawing has the advantage of simplicity.
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It also lends itself fairly well to the experiment.
A charge of solid material such as finely divided hematite, and mixed lime, coke, is then introduced into the arc through a hopper 38. Gradually the charge is transported into the arc. The interior of the hollow 26 of the electrode by the rotation of the screw 32. The part of the electrode 16 located inside the furnace is extremely hot. The reaction in the load takes place as it passes through the hollow 26 and into the arc. The proportion of reaction is determined by the variation in speed of the screw 32, the size of the particles which make up the charge as well as the proportion of the charge in the hopper. The feed material feed through the conduit 26 is necessarily controlled.
Its temperature increases as it progresses to the point where the desired reaction takes place.
The gas supply device 37 is advantageously employed in many cases. In some cases it is possible to introduce a gas as a substance entering into or assisting in reaction, and thus having a chemical function. In other cases, the gas has a purely mechanical role. The addition of the producer gas or 00 to the charge of the iron ore, flux and coal, as already said, can be taken as an example of both roles being played at the same time. The reduction of the ore to metal is accompanied by a release of 00 and CO2 which pass through the stack 17. They are taken there for use.
A small portion of these gases can be sucked up through pipe 37 and escapes into the charge which arrives through holes 35 and 36 mm.
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swam in the shaft of the screw 33. The gases mix with the solid material and maintain its lightness, which allows the passage of the charge in the hot part of the electro- 16. At a temperature lower than the 'one meets at the wall of the furnace, these gases establish or accelerate a reaction at low temperature among the bodies which compose the charge, thereby having a chemical role. The pressure of the gases in and around the screw 32 also reduces the tendency of the charge to descend into the hopper as a result of the higher pressure of the gases inside the conduit 26 at its hotter parts.
The charge, reactive after having passed through the hot pipe, is advantageously ejected directly into the arc itself. Since it is not possible to directly introduce pulverulent materials into the arc, it will be understood that due to the gradual increase in the temperature to which the material has already been subjected, it is, at the time of Dejection, either in the fluid state or in the gaseous state. If the material is fluid, it falls through the arc in a liquid pool onto the hearth of the furnace, from which it can be extracted either from time to time or continuously. The gases escape through the chimney 17 and can be collected by a variety of suitable methods.
By speaking above of the character of the charge of solid matter it can be explained that these defining words were used for the purpose to be achieved. By fine material is meant solid material reduced to particles having sufficient surface area allowing them to react with the other solid particles in a similar manner.
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quick sez. These particles cannot be injected or forced to pass through a hot zone without being blown away. We. can use them in all the ways known in modern metallurgy. The particles must, of course, be finely divided enough to pass inside the electrode without adhering to each other if satisfactory operation is desired.
There is virtually no lower limit to the particle size, since such ways that the cinders can be directly handled. pulped without prior briquetting. In practice, conditions and economic factors will dictate the degree of division which is best suited to each particular case.
Likewise, the invention provides for the mixing of the charge so as to obtain a homogeneous whole. This condition allows a high yield in the reaction to be achieved, although there may be cases in which handling costs require less thorough mixing.
As for the electrodes, it is obvious that more than two can be used. Their number must be chosen so as to serve as charge conduits. It is not mandatory to use a hollow electrode as a charging conduit, but in most cases this has been found to be the best way to proceed. Graphite is extremely refractory. It resists well the reactions occurring inside the duct and is well suited for this use. If desired, however, or use a separate supply line leading into or near the hot spot of the oven.
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The position of the electrodes is, however, closely related to the exercise of proper control. The horizontal position is the best. The vertical position is not suitable at all. The vertically arranged electrodes act as hoppers in which the charge falls by gravity. With horizontal electrodes one can exercise severe control. It has been found that the advantages of angled electrodes either upward or downward, in most cases, are less than their disadvantages. Angled electrodes may be used occasionally and in special cases.
The pressure inside the oven can be regulated by putting a damper in the chimney 17. The pressure being lower than atmospheric pressure, there will be a slight loss of air in the oven, but in this case we can recover all the combustible gases. Higher pressures will create a leak to the outside but will protect the reaction products from contact with oxygen or nitrogen. In this case there would be a danger of poisoning the workers.
With these considerations made, it is not believed necessary to discuss in detail the other various alterations or conditions of operation which may occur when carrying out the invention. The invention will now be described according to the treatment of materials. various to form metallurgical or electrothermal products.
Reference has already been made to the typical reaction: metal + carbon + heat-producing metal + carbon monoxide in the manufacture of primary pig irons.
We can say that by manufacturing this cast according to the invention /
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a metal can be obtained which is exceptionally free of all sulphides and other impurities, has a low carbon content and exhibits excellent fracture and crystal structure. There is no difficulty in separating meta-1 from its matrix. While economic conditions may militate against the extended use of the invention for the treatment of pure hemalitis (which can be reduced in the blast furnace) it can nevertheless be applied for the recovery of cinders. and dusts now obtained as waste products in the blast furnace industry.
These iron rich materials are so fine that they cannot be satisfactorily processed by current metallurgical methods. Metal was recovered from the cinders without any loss of raw material due to the currents which occur and move the powder away from the reaction zone.
The invention applies of itself to ferroalloys. The following conditions have been found, for example, in the manufacture of ferro-manganese. When working with 10 cm graphite electrodes having openings of 37 c / m, it was found that the arc initially absorbs a large current. This current varies between 1,000 and 2,000 amperes. The discharge is accompanied by considerable crackling and noise. A charge made of the usual proportions of iron and pyrolusite mixed with a mass of charcoal slightly greater than the theoretical figure and with the normal amount of flux was used.
As materials move through the arc, the consumption of
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The noise is reduced considerably, and the noise emitted by the arc can be compared with accuracy to the quiet and regular hum of an automobile engine having a good muffler. The excess carbon, used to prevent harmful corrosion of the graphite electrode, has no detrimental effect on the purity of the final product. A mass of ferromanganese obtained by this method gave an assay of 0.37 percent carbon. The percentage of other usual impurities was extremely low.
Despite the tendency of silicon to react with graphite at high temperatures, it has been possible to obtain ferro-silicon according to the present invention without difficulty. The charge can consist of pure sand, iron fragments, coal and flux. The product obtained has the same physical and chemical advantages as those listed above. No difficulty was experienced due to the corrosion of the electrode. On the contrary, it was observed that the hollow of the electrode had a smooth surface at the end of the operation.
The different ferroalloys, either binary or tertiary, can be obtained in the same way. It is therefore superfluous to accumulate examples.
In the manufacture of calcium carbide by the action of lime on the carbon, it is better to use an electrode having a large hollow. Twenty centimeter electrodes having an opening of twelve and a half centimeters are suitable. Initially the electrode reacts and a slight deterioration of this electrode can be expected. However, its surface must not become sufficiently rough to prevent the continuous passage of the load. The employment of a
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gas, giving it lightness, is therefore indicated. The use of finely pulverized material is still recommended in this case.
Carbides of heavier metals are of great value due to their hardness, and can be obtained in the same way. In the manufacture of tungsten carbide which is subsequently used in tool steels, the charge of fragments of tungsten, ferro-tungsten with a slight excess of carbon is formed in order to protect the electrode. Until now, this body has only been obtained with great difficulty, due to the extremely high temperature necessary for this reaction. This body has heretofore been obtained in the form of very small particles which are put together in a matrix of a metal having a lower melting point, such as cobalt. In making the tungsten carbide according to the invention an arc which is as hot as possible is employed with a finely dusted charge.
It is best to move this load slowly through the duct. All of this is done in order to have an easily flowing reaction product. In this product, the tungsten carbide can form a continuous liquid or semi-liquid mass as well as a plastic substance deposited on the focus of the arc. The product which forms on the hearth of the furnace comprises large amounts of tungsten carbide. It can be removed and used in industry without using a die. This particular product is noted as an example of the advantages which derive from employing the maximum temperature of the arc, instead of using only its radiations.
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The foregoing process obviously does not prevent the introduction of additional materials into the final reaction product.
Silicon abrasives, such as boron silicide can be obtained in the same way. The best manufacturing process for silicon carbide, or c arborandum, is the use of a low density arc in order to avoid dissociation of the final product into silicon and carbon.
By controlling the charge of silica and carbon in a suitable manner, it is possible, as has already been established; To produce carborandum it is also possible, by employing high temperatures, to release the silicon under the vapor phase.
The vapors are collected by means of a suitable condenser connected to the exhaust stack 17. Working with the silicon products, it has been found that the initial reactions which take place between the graphite electrode and the silicon lice form a protective layer preventing loss of electrodes. It is possible by the same process to obtain other products in the vapor state, such as zinc powder.
From the preceding examples, it will be understood that the invention applies to various specific uses. These uses include the reduction of complex ores of nickel and iron, the manufacture of metal refining, the fixation of nitrogen in the air by the use of cyanamide, the preparation of various alloys, carbides, silicones, powder recovery, and various other conditions. belonging to the metallurgical and electrical field.
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trothermic. However, such details of use will be apparent to technicians. These specifications are within the spirit of the invention.