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"Procédé de réduction des minerais"
La présente invention concerne les procédés de ré- duction des minerais métalliques à basse température dans des conditions de pression réduite et la transformation du fer ainsi réduit en fer ou acier à billettes de toute caractéristique désirée, selon un cycle complet d'opéra- tions .
L'invention porte sur un procédé perfectionné de ré- duction à basse température selon lequel la réduction du minerai est effectuée par du carbone fixé sous des con- ditions de pression réduite de l'atmosphère régnant dans @
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,la chambre ou cornue fermée de réduction ; dans lequel : les produits gazeux et volatils sont rapidement enlevés de la chambre de réduction;en assurant ainsi une réduction rapide du minerai et l'obtention d'un métal sensiblement pur ;
la réduction directe et finale perfectionnée à bas- se température d'un minerai est effectuée dans une cornue pour obtenir un métal sensiblement pur et les gaz produits de toute manière dans la cornue sont rapidement évacués à une température correspondant au résultat désiré en ce qui concerne l'action du procédé et le produit devant être obtenu par lui ; les constituants volatils et les gaz pro- duits sont rapidement évacués en une phase unique ou en plusieurs phases ; le minerai est soumis à une températu- re augmentant constamment pendant l'opération de réduc- tion et les gaz sont rapidement évacués de l'endroit de la réduction ; la rapidité d'une réaction chimique est une fonction du rapport de la pression à la température ; le procédé produit un gaz combustible d'une valeur chauffan- te maxima ;
dans ce procédé complet en soi un minerai est ' réduit au moyen de carbone fixé de combustibles ou de ma- tières carbonées et on obtient des gaz ayant une valeur combustible élevée, puis ces gaz sont utilisés pour pro- duire la force nécessaire à la commande des divers appa- reils utilisés dans l'application du procédé .
Ce procédé perfectionné sert à la purification d'un métal dans le but d'y obtenir une structure uniforme et il comprend, si on le,désire, plusieurs caractéristiques, qui peuvent être utilisées séparément ou collectivement parmi lesquelles on peut citer l'amenée et.la fusion.si- multanées du métal et sa -transformation en fer sensible-
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ment pur, puis ensuite en un acier ou en différents types ou qualités d'acier, l'utilisation d'un fondant dans la fusion d'un fer spongieux relativement pur pour faire un fer sensiblement pur .
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'in- vention rassortiront de la description qui suit .
On décrira ci-après un procédé qui constitue un mode de réalisation possible de l'invention, mais la portée de celle-ci n'est pas limitée à cet exemple de réalisation .
Il apparaît, en effet, facilement que le procédé est sus- ceptible de recevoir diverses modifications et d'être mis en oeuvre dans toute une variété d'appareils ; la nou- veauté et l'utilisé qui sont à la base de l'invention ré- sident dans les opérations ou caractéristiques individuel- les du procédé, qui peuvent être appliquées ensemble, en partie, et diverses combinaisons relatives, suivant le travail qui doit être fait ou les résultats recherchés .
Le dessin annexé représente schématiquement lesopé- rations du procédé et les appareils convenables qui peu- vent être utilisés .
L'invention permet la réduction du minerai de pré- férence de fer par le carbone fixé de la houille ou'autre matière carbonée, accompagnée par un enlèvement rapide et forcé des contenus gazeux de la chambre de réduction , Par ce procédé, on réalise uns réduction directe et dé- finitive et l'obtention du métal à l'état sensiblement pur, la gangue pouvant être retirée par séparation mécanique .
Comme le carbone fixé est utilisé pour la réduction du ruinerai et que les gaz volatils sont enlevés, ces derniers sont disponibles en grandes quantités comme gaz combusti- ,lA
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ble . Ceci est également vrai pour certains produits ga- zeux de réaction comme, par exemple, l'oxyde de carbone qui a une valeur combustible .élevée . En outre, des réac- tions secondaires de gaz dans la chambpe de réduction ne font pas obstacle, en raison de leur enlèvement rapide, à la réduction duminerai et ne diminuent pas la valeur calorifique du combustible .
La température de l'opération de réduction est rela- tivement basse, car elle est pour tous les charbons infé- rieure à 9500 C., suivant les pressions dans la chambre de réduction Cependant on peut utiliser d'autres matiè- res carbonées ou combustibles . Pour des métaux autres que le fer,la temps raturé maxima indiquée ci-dessus peut d'ailleurs varier suivant la nature du minerai à réduire .
D'une façon générale, les températures maxima utilisées , dans la procédé sont au..dessous des points de fusion des substances reçues dans la chambre de réduction, de sorte que des carbures ou autres composés métalliques ne sont ainsi pas formés . Il en résulte que les réactions sont grandement simplifiées et que l'emploi d e fondants est ' rendu complètement inutile . Les températures mentionnées ci-dessus représentent celles qui règnent à la sortie de la chambre de réduction . Une échelle de températures con- venable peut être maintenue, si on le désire, en diminuant vers l'entrée de la chambre de réduction .
L'atmosphère de la chambre de réduction est rapide- ment et constamment aspirée par tout dispositif convena- ble . La réduction peut être réalisée en une seule phase ou en plusieurs phases, c'est-à-dire que la cornue peut constituer un compartiment unique ou plusieurs comparti-
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ments, cette dernière disposition étant particulièrement avantageuse lorsqu'une descente ou montée de température est utilisée .
Les gaz peuvent être évacuée en un courant unique ou en plusieurs courants séparés, en réduisant au minimum, dans le dernier cas, la réaction entre les dif- férents gaz L'enlèvement des gaz en plusieurs courants peut être réalisé en des points espacés d'une cornue à phase unique comportant un échelonnement de température, mais la cornue à phase multiples se prête tout particu- lièrement à cet usage A l'extrémité ou phase d'entrée de la chambre de réduction, des gaz volatils sont libérés qui constituent ce qui est de la nature d'un gaz de char- bon . Ensuite, avec une augmentation de température, des gaz d'éclairage et autres gaz hydrocarbures, oxyde de carbone et hydrogène sont formés et évacués en des points ou phases subséquentes .
Les volumes des gaz augmentent aveo la montée de température, en allant de l'entrée à la sortie de la chambre de réduction , Etant donne que les gaz qui sont retirés aux températures plus élevées, aux parties ou phases d'extrémités de la cornue, sont de l'hy- drogène et de l'oxyde de carbone, qui ont une action pu- rement réductrice sur les métaux, il n'y a sensiblement rien dans ces parties de la cornue qui contamine le métal.
La réduction du minerai est donc simplifiée et accélérée par ce procédé et la valeur combustible des gaz est con- servée .
Par l'évacuation rapide des contenus gazeux de la chambre de réduction, la pression ambiante est diminuée par rapport à la pression qui régnerait si l'aspiration forcée n'était pas utilisée .De façon correspondante, la
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tension ou pression vers l'extérieur de l'oxygène-ou au- tres gaz émanant du minerai devient plus élevée que celle de l'atmosphère ambiante indiquée 0 Sous 'ces conditions de pression ambiante'diminuée et d'application continue de chaleur, la carbone fixé du combustible prend une quali- té ou état qui le rend particulièrement propre à se com- biner rapidement avec l'oxygène ou d'autres gaz du minerai.
Ceci sert pour augmenter la rapidité de la réduction du minerai, en particulier en raison du fait que l'affinité du carbone pour l'oxygène est plus grande que celle des métaux pour l'oxygène . En raison de lévaouation rapide des oxydes de carbone, une action inverse ne peut pas se produire spécialement parce que le carbone fixé est gran- dement en excès
Dans la pratique ordinaire des hauts-fourneaux ou cornues, la pression des gaz est toujours quelque peu su- périeure à la pression atmosphérique .
Selon laprésente invention, la pression diminuée résultant de l'aspiration des gaz peut en conséquence être inférieure ou supérieure à la pression atmosphérique , Etant donné que cette pres- sion peut varier considérallement, il est préférable de ne pas spé oifier ici une pression particulière quelconque mais plutôt détendre la description qui précède pour indiquer plus complètement les facteurs de réglage et le rapport des températures relativement à ces facteurs ,
Etant donné que les espaces interstitiels entre les particules de matière se trouvant dans la chambre de ré- duction constituent pratiquement un volume constant, la pression moyenne des gaz suit sensiblement la loi des gaz . Par conséquent, la-pression est, dans des limites
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pratiques, proportionnelle à la température .
L'invention vise l'abaissement de cette pression au point où la réac- tion a lieu avec la rapidité et l'économie désirée , La réduction de pressioh est facilement exécutée parce qu'il y a dans la chambre de réduction un espace libre qui est disponible pour recevoir les gaz et qui, en volume, repré- sente plusieurs fois le volume des espaces interstitiels ; de plus, 1 espace librq est continuellement vidé par as- piration . Ces facteurs peuvent être convenablement coor- pré donnés pour maintenir une pression déterminée dans l'es- pace ambiant .
Les matières qui sont traitées dans la chambre de réduction sont constituées par des morceaux qui de recou- vrent l'un l'autre dans une grande mesure . Ainsi, la pression ambiante devient plutôt élevée et ralentit la libération des gaz volatils et la sublimation du carbone fixé , Si on désire combattre cet état de choses, la pres- sion dans le haut-fourneau peut être abaissée dans la me- sure désirée , A cet égard, on notera que ces matières peuvent être constamment remuées ou disposées d'une autre façon pour faciliter l'échappement des gaz produits et de façon que la surface maxima du carbone fixé ou charbon puisse être exposée par unité de temps .
En raison de la différence considérable de pression entre les espaces interstitiels et l'espace libre de la chambre de réduc- tion, les gaz s'échappant des espaces interstitiels ont une grande vitesse .
La théorie fondamentale qui se ,t de base à cette in- vention est que la vitesse d'une réaction chimique est une fonction du rapport de la pression à la température , Par
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le procédé perfectionné de l'invention, cette fonction commande complètement la réaction, de sorte que les vi- tesses de réaction sont tenues dans des limites pratiques, accélérées ou ralenties uniformément suivant le cas qui se présente . Une réaction dont la vitesse est une fonce- tion continue du rapport de la pression à la température produit des résultats uniformes, sans formation de subs- tances résiduelles .
La perfection de la réaction est as- surée dans le procédé perfectionné de l'invention par l'enlèvement continu des gaz demême que par le rapport pression-température .'Bien que d'un point de vue théo- rique, les accroissements de la vitesse de changement de température et de pression doivent être infinitésimaux, dans la pratique réelle on peut se rapprocher de cette théorie en des phases comme indiqué ci-après 1
A Pitre d'exemple spécifique de l'objet exposé dans le paragraphe précédent, on peut indiquer que dans le procédé de réduction de minerais, par exemple, dans la ré- duction d'oxyde ferrique (Fe203) au moyen de carbone amor- phe fixé au charbon, on a deux phases, à savoir du fer so- lide (Fe)
et de l'oxyde de carbone gazeux (CO)qui coexis- tent toujours, tandis que le carbone (C) et l'oxygène (0) qui forment le CO, se combinent sous des conditions d'é- guilibre , Pour mieux expliquer la théorie fondamentale dans le cas de réduction du fer, on pose l'équation chi- mique de la réduction qui est :
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'Cette équation doit être considérée comme l'effet de deux équilibres simultanés, à savoir
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2Fe2O3 4 Fe +302 (Dissociation d'oxyde ferrique)
O2 + 2C 200 (Formation d'oxyde de carbone) De ceseux équilibres simultanés, le premier tend à li- bérer le fer contenu en combinaison avec l'oxygène dans l'oxyde ferrique, tandis que le second tend à éliminer l'oxygène comme tel du système en le convertissant en oxyde de carbone .
La réaction est complétée, conformément au principe bien établi de la chimie physique, par l'éli- mination de la phase gazeuse CO du système, par l'aspira- tion des gaz de la chambre de la cornue aussi rapidement qu'ils sont produits Afin d'éviter davantage la possi- bilité de réaction réversible, un exoès de carbone est fourni et existe toujours en se conformant ainsi au princi- pe bien connu de l'équilibre mobile et de la loi de l'ac- tion de masse . Dans toutes les réactions, telle que la réduction du fer indiquée ci-dessus, où du gaz est produit et où la tendance naturelle serait par conséquent dirigée vers une augmentation de la pression gazeuse, toute réduc- tion de la pression favorise la réaction .
Par ailleurs, il y a pour chaquepression une température définie corres- pondnte et vice versa . Ceci a pour résultat cette théorie que dans tout système visé par l'invention où, pendant le cours d'une réaction, les températures des pressions doivent être établies pour varier, afin d'atteindre la perfection des équilibres englobés,'le cours de la réaction est une fonction des rapports de la pression à la température .
Pour la réduction de minerais de fer, la température est augmentée et la pression diminuée, le rapport de ces fac- teurs étant constant dans des limites pratiques, comme
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dans une progression arithmétique .
A noter ici que pour certaines réactions des change- ments de température et de pression peuvent être tels que ladifférence entre les rapports soit sensiblement égale à zéro .
Dans le traitement de matières finement divisées de toute sortes comme, par exemple, dans la réduction d'un minerai par un combustible solide, il y a un volume in- terstitiel connu v1 et un volume libre connu V2 dans la cornue, le rapport des volumes V2 - m représentant un
V1 nombre plus grand que 1 Maintenant, en considérait à tout instant quelconque la pression et la température, et
P1 étant la pression dans les interstices et P la pres- PlVl - P2V2 sion dans la chambre de chauffage, on a T = T ' Comme V2 = mV1, on a Pl = mP2 ou P2 = P1 qui peut être même moins qu'une atmosphère , Dans tous !les cas, la va- leur de p2 est moindre que s'il ne se produisait pas d'é chappement, car alors P2 serait égale à P1.
c'est-à-dire que la pression dans l'espace libre de la cornue serait égale à la pression dans les interstices . Comme est connu, P2 peut être maintenue constante, pour chaque conP con- dition de températuredans la cornue , Un dispositif électro. thermique mécanique permet de maintenir automatiquement le rapport pression-température. De façon analogue, comme le rapport des volumes V1 et V2 est connu on peut être prédéterminé pour tout rapport depression requis, la tem- pérature devant correspondre aux conditions initiales re- , guises peut être facilement obtenue .
Aussi pour des con- ditions données quelconques, et parce que le rapport des volumes V1 et V2 est sensiblement constant dans toute la
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cornue, est-il toujours possible de déterminer le rapport de la pression P2 de la chambre de la cornue à la tempéra- ture T de cette chambre..
Il ressort des considérations qui précèdent que la valeur du rapport P2/T est évidem- ment une fonction de la condition initiale et peut, en conséquence, être prédéterminée ou modifiée, comme l'un des deux termes de ce rapport peut varier au coursde la réaction ,
La vitesse à laquelle les ingrédients qui sont trai- tés subissent le changement désiré, et plus particulière- ment la vitesse de réaction, comme dans la réduction d'un minerai., est fixée par le rapport pression-température qui prédétermine ainsi le tenps qui est nécessaire pour la réduction complète du minerai .En conséquence, le temps pendant lequel les ingrédients doivent rester dans la cornue et de ce fait la vitesse de rotation convenable de la cornue peuvent tre déterminés .
Il résulte du fait qu'on coordonne ainsi la température, la pression et la vitesse de réaction pour assurer l'équilibre convenable
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20 en divers points de la réaction a suror l'Óquilibrc onze mots rayés. ooncnablc &n divora pela# dre 1-a rÓaoti01 izie exécution continue et une perfection des réactions et de la pureté du métal . A vec l'élimination des réactions secondaires p r le retrait rapide du gaz de la cornue, la réduction du minerai est rendue entièrement uniforme et exempte même des interruptions ou obstacles qui autrement empêcheraient cumulativement la parfaite et complète réalisationde la réduction et l'obtention d'un métal pur
La réduction du mènerai se produit dans une cornue dans la quelle il n'y a sensiblement pas de combustion .
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Du charbon ordinaire, tel que celui extrait de la mine, ' peut être utilisé pour fournir le carbone fixé qui est employé pour la réduction du minerai . Un minerai typi- que qui peut être utilisé ici est l'hématite, bien qu'on envisage l'application de l'invention à l'obtention d'au- tres métaux que le fer
On entend indiquer que la caractéristique de base de l'invention se distingue en prtie par la grande quantité de matières qui peuvent être utilisées dans son applica- tion .
Ainsi, parmi les minerais métalliques et en par- ticulier le minerai de fer, un pe tit nombre de ceux qui peuvent tre utilisés dans la mise en pratique de l'inven- tion comprend les oxydes, les carbonates, les hydrates et les sulfures Les minerais de métaux autres que le fer peuvent aussiêtre réduits par le présent procédé , De nou- veau, la nature des combustibles qui peuvent être utili- sés peut varier amplement et parmi eux on peut citer l'anthraoite, les charbons bitumineux et semi-bitumineux, les lignites, les tourbes, limonites ou autres sortes analogues d'hydrocarbures, le bois, le charbon de bois, le coke, les sohistes bitumineux et analogues,
et généra- lement toute matière qui contient une quantité importante de carbone fixé compatible avec les conditions de ce pro- cédé ,
Lorsque l'opération de réduction est terminée, un fer sensiblement pur est obtenu et il est fourni à tout four de fusion convenable en vue de l'obtention de fer à billettes .Si c'est l'acier qui doit être le produit fi- nal, cet acier peut être fabriqué économiquement en ame- nant le métal fondu dans un four fabriquant tout acier
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convenable , Pour fabriquer tout acier spécial ou acier au carbone désiré, divers ingrédients sont ajoutés con- formément aux règles métallurgiques bien connues , En raison de la pureté comparative du métal obtenu par ce procédé, des opérations intermédiaires, comme par exemple la décarbonisation,
qui sont par exemple coûteuses et cons- tituent pour le mieux des expédients, sont évitées .Par ce procédé, le fer fondu peut être transformé directement en acier et la composition de l'acier peut être contrôlée exactement en raison de la pureté relative du fer . La composition de l'acier est également plus uniforme et l'absorption de l'ingrédient modificateur ou allieur peut se produire à un plus grand degré que jusqu'à présent .
L'économie de ces procédés est si grande et l'économie de combustible si importante qu'en ce qui concerne la nature des aciers produits il y a un nouveau facteur inventif en ce sens que les ingrédients modificateurs ou ailleurs de l'acier peuvent être utilisés économiquement à un état relativement pur, en éliminant ainsi la complexité dans la fabrication et le traitement de l'acier, conformaient à la pratique actuelle , selon laquelle les ingrédients sont utilisés sous une forme impure afin d'être suffisam- ment bon marché ,
Le dessin annexé représente schématiquement un mode de réalisation possible de l'invention, mais celle-ci n'est' pas limitée à cet exemple On comprendra par exemple que bien qu'on ait représenté une cornue ou charibre de réduc- tion à phases multiples,
on peut utiliser une cornue à phase unique, avec une modification correspondante dans l'installation de pompe qui produit une aspiration dans
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la cornue, conformément au principe décrit dans ce qui précède .
Dans le dessin, l et 2 désignent respectivement des distributeurs de combustible et de minerai d'où certaines quantités de ces matières passent par les réservoirs 3 et 4 et de là dans les broyeurs 5 et 6 . Ensuite des quanti- tés convenables en pods, déterminées sur des balances 7, 8, sont amenées dans un mélangeur 9 . Le combustible et le minerai entrent ainsi'dans la cornue de réduction à pres- sion réduite 10 selon un état de mélange intime,les ma tières ayant été pulvérisées relativement fines . Cette cornue peut être à phase unique ou divisée par des cloi- sons transversales en plusieurs compartiments en nombre désiré quelconque, mais de préférence I, II, III et IV.
Le compartiment I reçoit les matières du mémangeur 9 et les constituants solides sont à la fin évacués des compar- timents IV . La cornue 10 est chauffée extérieurement par voie électrique ou par plusieurs brûleurs A, B, G, D dis- posés de toute manière convenable, ou à proximité du com- partiment IV . Ces brûleurs peuvent être de tout type uti- lisable et ils consomment de préférence du gaz combusti- ble, qui est soit mélangé au préalable, soit stratifié avec l'air soutenant la combustion, selon la construction du fourneau En partant de ces brûleurs, les produits de la combustion passent extérieurement le long de la cornue en 'allant à l'extrémité d'admission de celle-ci, et ils sont ensuite évacués du fourneau comme indiqué par le pointillé 25 .
On maintient ainsi une température baissant graduelle- ment en allant vers l'admission de la cornue .
Dans le compartiment I, du méthane et d'autres cons-
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tituants de gaz de charbon sont produits Dans le com- partiment suivant, des gaz d'éclairage sont dégagés et dans les derniers compartiments, de l'hydrogène est li- béré et de l'oxyde de carbone est produit . Cependant, cette explication donnée à titre d'exemple n'est pas li- mitative .
Tout le résidu solide de la cornue 10 passe dans un réfrigérant 11, comportant un système de circulation d'eau . La sortie du réfrigérant est convenablement pour- vue d'une garde pour Éviter l'entrée d'air, tandis que son adnission, qui est en communication avec la cornue, soumet ce réfrigérant à la pression réduite qui est ob- tenue dans la cornue , Un refroidissement suffisant du métal se produit ensuite pour empêcher l'oxydation du fer spongieux lorsqu'il est exposé à l'air et pouréviter d'endommager les machines 0 En partant du réfrigérant 11, on peut faire passer le résidu solide par un pulvérisateur 12, et de là dans un séparateur 13, qui sépare magnétique- ment le mental des autres matières solides,
le métal en- triant dans le réservoir à métal 14 et les autres matières étant évacuées comme résidus .
16 désigne une chaudière à chaleur perdue ou échan- geur thermique, en une ou plusieurs sections I, II, III, IV communiquant séparément avec les compartiments dési- gnés de façon analogue à la cornue 10 . Une ou plusieurs pompes d'aspiration 17, communiquant avec les sections de la chaudière à chaleur perdue 16, peuvent être entraî- nées par des moteurs utilisant la vapeur produite dans cette chaudière , Lorsque chaque compartiment de la cornue 10 a sa pompe individuelle, on peut faire varier l'aspira-
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'tion dans les divers compartiments selon les quantités de gaz qui y sont produites et selon d'autres conditions de fonctionnement, puis faire diminuer constamment les pres- sions dans les compartiments en allant,vers l'extrémité de sortie de la cornue,
si cela est désirable .Des pom- pes d'aspiration, les gaz de cornue passent dans un la- veur 19, puis dans un condenseur 20,un collecteur de sous-produits 21, un dondenseur final 22 et enfin dans un gazomètre à gaz combustible 23 . 24 lésigne une chambre de réglage et de distribution de laquelle part une cana- lisation de gaz combustible 26 servant à chauffer la cor- nue 10 . Plusieurs pompes de compression 18 sont prévues et sont entraînées par tout appareil convenable qui peut utiliser du gaz combustible distribué par un conduit 27 partant de la chambre de réglage 24 . L'une de ces pom- pes 18 distribue le gaz combustible aux brûleurs A, B,
G, D de la cornue 10 par le tuyau 26, tandis que la se- conde pompe fournit ltair assurant la combustion dans les brûleurs par le tuyau 28 .
La première pompe fournit de l'eau froide au réfrigérant 11 par un tuyau 29, l'eau qui quitte ce réfrigérant entrant dans la chaudière à chaleur perdue 16 par un tuyau 30 ,
Tous les appareils utilisés dans l'application de ce procédé peuvent être alimentés par du gaz combustible produit dans le système , Naturellement, la contenance thermique du gaz combustible peut être transformée en va- peur ou énergie électrique pour permettre une, distribu- tion pratique .En tout cas, les broyeurs 5, 6, le mélan- geur, 9, le pulvérisateur 12, le séparateur 13 et les ap- pareils analogues peuvént être entraînés par la force
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ainsi produite au centre , De l'énergie électrique ou du combustible peut aussi être fourni aux fours de fusion et de fabrication d'acier 34 et 35 décrits ci-après ,
Pour régler automatiquement les températures et les pressions dans la cornue, on utilise un système de ré- glage central . Celui-ci comprend des thermo-coups con- venables correspondant aux compartiments de la cornue ,
Ces thermo-couples peuvent commander des bobines d'in- duction et de là les commandes pour les brûleurs qui chauf- fent la cornue . D'autres communications appropriées font que les conditions de pression réduite dans lesdits com- partiments sont définitivement réglées par les therrno- couples , Le rapport pression-température désiré est ain- si maintenu .
On voit que le système décrit ci-dessus est complet en lui-même, puisqu'il produit tout le gaz combustible et la force nécessaire pour le commander . L'excèsde gaz combustible peut tre fourni de la chambre de distribu- tion 24 à la ligne motrice principale .
Les fours de fusion et de fabrication d'acier 34 et 35 peuvent être utilisés pour fabriquer le métal en tout acier, alliage ou autre métal désiré et peuvent aus- si affiner la structure cristalline du métal , Le métal est tout d'abord fondu dans un four de fusion 34, et le fer à billettes peut être obtenu en ce point Pour la fabrication d'acier, le métal peut être débité à l'é- tat fondu à un ou plusieurs fours 35 de fabrication d'a- cier . On peut utiliser plusieurs de ces fours ;dans chacun d'eux une sorte différente d'alliage ou d'acier est fabriquée simultanément .
Il y a ainsi un mouvement
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pratiquement oontinu du métal du réservoir 14 dans le four de fusion 34 d'où le métal fondu peut être amené si multanément dans plusieurs foursde fabrication d'acier 35, avec une fabrication simultanée dans ces derniers de différents types ou qualités d'acier
Pour faciliter l'enlèvement d'impuretés dans le four de fusion, on peut utiliser un bain d'hydrate de sodium e d'oxyde de calcium . Le métal résultant est sensible- ment pur .
A titre de récapitulation, on indiquera qu'un métal approximativement pur est obtenu suivant le procédé de réduction et de séparation mécanique décrit ci-dessus en raison de l'aspiration des gaz dans la cornue .Ce mé- tal est immédiatement distribué pour être utilisé dans les fours de fusion et de fabrication d'acier et trans- formé en un alliage ou acier de qualité supérieure, ou autre métal de structure cristalline sensiblement égale.
L'opération de réduction décrite ici est une opé- , ration semi-directe . La réduction du minerai est effec- tuée par le carbone lui-même et l'oxyde de carbone formé est disponible comme combustible ,Les réactions sont fortement réduites à la décomposition de l'oxyde de fer et à la formation de 00 . Ce qui est dit ci-dessus est également vrai d'ailleurs du carbonate de fer . L'hydro- gène sulfuré et d'autres gaz sont aspirés de façon qu'ils ne puissent par attaquer le métal ni réagir entre eux . Ce résultat peut être facilité par l'aspiration par phases.
L'aspiration des gaz peut se produire à toute pression inférieure à celle qu'on obtiendrait sans évacuation ra- pide de gaz ; cette pression peut même être inférieure
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à la pression atmosphérique et de préférence aussi bas- se qu'une construction perfectionnée de four peut le permettre et que le nécessite le fonctionnement .
L'aspination des gaz de cornue sous une températu- re graduelle ou en phases permet à l'oxygène de l'héma- tite (si celle-ci est le minerai utilisé) de venir di- rectement en contact avec le carbone( fixé du combusti- ble vers et pendant les dernières opérations de la réduc- tion (pendant lesquelles il se fait la plus rapide pro- duction d'oxyde de carbone et d'hydrogène) , par ce qu'en raison des conditions de pression requises, le car- }noue amorphe est à tout moment pratiquement empêché d'absorber ou d'adsorber des gaz de toute sorte .Dans la dernière opération de réduction;
, qui est celle dans laquelle l'hydrogène est produit, le carbone commence à se combiner avec l'oxygène de l'hématite sous des con- ditions qui facilitent la réduction du minerai et la for- mation du gaz CO .
Par ce procédé, on obtient un pourcentage élevé d'onde de carbone,tandis que le pourcentage de bi- oxyde de carbone est très faible ou nul
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"Mineral reduction process"
The present invention relates to processes for the reduction of metal ores at low temperature under conditions of reduced pressure and the conversion of the iron thus reduced to iron or billet steel of any desired characteristic, in a complete cycle of operations.
The invention relates to an improved low temperature reduction process in which the reduction of the ore is effected by fixed carbon under conditions of reduced pressure of the prevailing atmosphere.
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, the closed chamber or retort of reduction; wherein: gaseous and volatile products are rapidly removed from the reduction chamber, thereby ensuring rapid reduction of the ore and obtaining a substantially pure metal;
the direct and final perfected low temperature reduction of an ore is carried out in a retort to obtain a substantially pure metal and the gases produced anyway in the retort are rapidly vented at a temperature corresponding to the desired result as regards the action of the process and the product to be obtained by it; the volatile constituents and the gases produced are rapidly evacuated in a single phase or in several phases; the ore is subjected to a constantly increasing temperature during the reduction operation and the gases are rapidly evacuated from the place of reduction; the speed of a chemical reaction is a function of the ratio of pressure to temperature; the process produces a combustible gas of maximum heating value;
in this complete process per se an ore is reduced by means of fixed carbon from fuels or carbonaceous materials and gases having a high combustible value are obtained, then these gases are used to produce the force necessary for the control. of the various apparatus used in the application of the process.
This improved process serves for the purification of a metal in order to obtain a uniform structure therein and it comprises, if desired, several characteristics, which can be used separately or collectively, among which can be mentioned the supply and .si-multiannual fusion of the metal and its -transformation into sensitive iron-
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pure, then further into steel or various types or grades of steel, using a flux in the smelting of relatively pure sponge iron to make substantially pure iron.
Other objects, features and advantages of the invention will be evident from the description which follows.
A method which constitutes a possible embodiment of the invention will be described below, but the scope thereof is not limited to this exemplary embodiment.
It appears, in fact, easily that the method is capable of receiving various modifications and of being implemented in a whole variety of apparatus; the novelty and the usefulness which are the basis of the invention reside in the individual operations or characteristics of the process, which can be applied together, in part, and various relative combinations, depending on the work to be done. be done or the desired results.
The accompanying drawing shows schematically the operations of the process and the suitable apparatus which may be used.
The invention enables the reduction of the preferably iron ore by the fixed carbon of the coal or other carbonaceous material, accompanied by a rapid and forced removal of the gaseous contents from the reduction chamber. direct and final reduction and obtaining the metal in a substantially pure state, the gangue being able to be removed by mechanical separation.
As the fixed carbon is used for waste reduction and volatile gases are removed, the latter are available in large quantities as fuel gas.
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corn . This is also true for certain gaseous reaction products such as, for example, carbon monoxide which has a high combustible value. Further, secondary gas reactions in the reduction chamber do not, due to their rapid removal, hinder the reduction of the ore and do not decrease the calorific value of the fuel.
The temperature of the reduction operation is relatively low, because it is for all coals less than 9500 C., depending on the pressures in the reduction chamber. However, other carbonaceous or combustible materials can be used. . For metals other than iron, the maximum erased time indicated above may also vary according to the nature of the ore to be reduced.
In general, the maximum temperatures used in the process are below the melting points of the substances received in the reduction chamber, so that carbides or other metal compounds are thus not formed. As a result, the reactions are greatly simplified and the use of fluxes is rendered completely unnecessary. The temperatures mentioned above represent those which prevail at the outlet of the reduction chamber. A suitable temperature scale can be maintained, if desired, by decreasing towards the inlet of the reduction chamber.
The atmosphere in the reduction chamber is rapidly and constantly drawn in by any suitable device. The reduction can be carried out in a single phase or in several phases, i.e. the retort can constitute a single compartment or several compartments.
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ments, the latter arrangement being particularly advantageous when a drop or rise in temperature is used.
The gases can be discharged in a single stream or in several separate streams, minimizing, in the latter case, the reaction between the different gases. The removal of the gases in several streams can be carried out at points spaced apart. a single phase retort with temperature stepping, but the multi-phase retort is particularly suitable for this use At the inlet end or phase of the reduction chamber volatile gases are released which constitute what is in the nature of a coal gas. Then, with an increase in temperature, illumination gases and other hydrocarbon gases, carbon monoxide and hydrogen are formed and discharged in subsequent points or phases.
The gas volumes increase with the rise in temperature, going from the inlet to the outlet of the reduction chamber, Since the gases which are withdrawn at higher temperatures, at the end parts or phases of the retort, are hydrogen and carbon monoxide, which have a purely reducing action on metals, there is noticeably nothing in those parts of the retort which contaminates the metal.
The reduction of the ore is therefore simplified and accelerated by this process and the combustible value of the gases is preserved.
By rapidly evacuating the gaseous contents from the reduction chamber, the ambient pressure is reduced compared to the pressure which would prevail if the forced suction were not used.
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outward tension or pressure of the oxygen-or other gases emanating from the ore becomes higher than that of the indicated ambient atmosphere 0 Under these conditions of decreased ambient pressure and continuous application of heat, the fixed carbon in the fuel assumes a quality or state which makes it particularly apt to combine rapidly with oxygen or other gases in the ore.
This serves to increase the rate of reduction of the ore, in particular due to the fact that the affinity of carbon for oxygen is greater than that of metals for oxygen. Due to the rapid development of carbon oxides, a reverse action cannot occur especially because the fixed carbon is in large excess.
In ordinary blast furnace or retort practice, the gas pressure is always somewhat higher than atmospheric pressure.
According to the present invention, the decreased pressure resulting from the aspiration of gases may accordingly be lower or higher than atmospheric pressure. Since this pressure can vary widely, it is preferable not to specify any particular pressure here. but rather expand the above description to more fully indicate the adjustment factors and the relationship of temperatures relative to these factors,
Since the interstitial spaces between the particles of material in the reduction chamber constitute almost a constant volume, the average gas pressure follows substantially the gas law. Therefore, the pressure is, within limits
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practical, proportional to temperature.
The invention aims to lower this pressure to the point where the reaction takes place with the desired speed and economy. The reduction in pressure is easily accomplished because there is a free space in the reduction chamber which is available to receive the gases and which, in volume, represents several times the volume of the interstitial spaces; in addition, 1 free space is continuously emptied by aspiration. These factors can be suitably coordinated to maintain a determined pressure in the ambient space.
The materials which are processed in the reduction chamber are made up of pieces which overlap to a large extent. Thus, the ambient pressure becomes rather high and slows down the release of volatile gases and the sublimation of the fixed carbon. If it is desired to combat this state of affairs, the pressure in the blast furnace can be lowered to the desired extent, In this regard, it will be appreciated that these materials can be constantly stirred or otherwise disposed to facilitate the escape of the gases produced and so that the maximum area of fixed carbon or coal can be exposed per unit of time.
Due to the considerable pressure difference between the interstitial spaces and the head space of the reduction chamber, the gases escaping from the interstitial spaces have a high velocity.
The fundamental theory underlying this invention is that the rate of a chemical reaction is a function of the ratio of pressure to temperature, Par
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According to the improved method of the invention, this function completely controls the reaction, so that the reaction rates are kept within practical limits, accelerated or decelerated uniformly as the case arises. A reaction whose rate is a continuous function of the pressure to temperature ratio produces uniform results without the formation of residual substances.
Perfection of the reaction is ensured in the improved process of the invention by the continuous removal of gases as well as by the pressure-temperature ratio. Although theoretically increases in gas temperature. rate of change of temperature and pressure must be infinitesimal, in real practice we can approach this theory in phases as indicated below 1
As a specific example of the object exposed in the preceding paragraph, it can be indicated that in the process of reduction of ores, for example, in the reduction of ferric oxide (Fe203) by means of amorphous carbon fixed to carbon, we have two phases, namely solid iron (Fe)
and gaseous carbon monoxide (CO) which always coexist, while carbon (C) and oxygen (0) which form CO, combine under conditions of equilibrium, To better explain the fundamental theory in the case of iron reduction, we pose the chemical equation of the reduction which is:
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'This equation must be considered as the effect of two simultaneous equilibria, namely
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2Fe2O3 4 Fe +302 (Dissociation of ferric oxide)
O2 + 2C 200 (Formation of carbon monoxide) Of these two simultaneous equilibria, the first tends to release the iron contained in combination with the oxygen in the ferric oxide, while the second tends to remove oxygen as such of the system by converting it to carbon monoxide.
The reaction is completed, in accordance with the well-established principle of physical chemistry, by the removal of the CO gas phase from the system, by sucking the gases out of the retort chamber as rapidly as they are produced. In order to further avoid the possibility of a reversible reaction, an excess of carbon is provided and still exists thus conforming to the well-known principle of mobile equilibrium and the law of mass action. In all reactions, such as the reduction of iron noted above, where gas is produced and the natural tendency would therefore be towards an increase in gas pressure, any reduction in pressure promotes the reaction.
In addition, there is a corresponding defined temperature for each pressure and vice versa. This results in this theory that in any system contemplated by the invention where, during the course of a reaction, the temperatures of the pressures must be set to vary, in order to achieve the perfection of the equilibria embraced, 'the course of the reaction. reaction is a function of the pressure to temperature ratios.
For the reduction of iron ores, the temperature is increased and the pressure decreased, the ratio of these factors being constant within practical limits, as
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in an arithmetic progression.
Note here that for some reactions changes in temperature and pressure may be such that the difference between the ratios is substantially equal to zero.
In the processing of finely divided materials of all kinds as, for example, in the reduction of an ore by a solid fuel, there is a known interstitial volume v1 and a known free volume V2 in the retort, the ratio of volumes V2 - m representing a
V1 number greater than 1 Now, at any time considered the pressure and temperature, and
P1 being the pressure in the interstices and P the pressure PlVl - P2V2 sion in the heating chamber, we have T = T 'As V2 = mV1, we have Pl = mP2 or P2 = P1 which can be even less than one atmosphere In all cases, the value of p2 is less than if there was no escape, since then P2 would be equal to P1.
that is, the pressure in the headspace of the retort would be equal to the pressure in the interstices. As is known, P2 can be kept constant, for each temperature condition in the retort, an electro device. mechanical thermal automatically maintains the pressure-temperature ratio. Similarly, as the ratio of the volumes V1 and V2 is known, one can be predetermined for any required pressure ratio, the temperature to correspond to the initial reduced conditions can be easily obtained.
Also for any given conditions, and because the ratio of the volumes V1 and V2 is appreciably constant throughout the
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retort, is it still possible to determine the ratio of the pressure P2 of the retort chamber to the temperature T of this chamber ..
It emerges from the foregoing considerations that the value of the ratio P2 / T is obviously a function of the initial condition and can, consequently, be predetermined or modified, as one of the two terms of this ratio can vary during the reaction,
The rate at which the ingredients which are processed undergo the desired change, and more particularly the rate of reaction, as in the reduction of an ore, is fixed by the pressure-temperature ratio which thus predetermines the time which is necessary for the complete reduction of the ore. Consequently, the time during which the ingredients must remain in the retort and therefore the suitable speed of rotation of the retort can be determined.
The result is that the temperature, pressure and reaction rate are thus coordinated to ensure the proper equilibrium.
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20 at various points in the reaction resulted in eleven crossed-out words. ooncnablc & n divora pela # dre 1-a rÓaoti01 izie continuous execution and perfection of reactions and purity of the metal. With the elimination of the side reactions by the rapid withdrawal of the gas from the retort, the reduction of the ore is made entirely uniform and free even from the interruptions or obstacles which would otherwise cumulatively prevent the perfect and complete realization of the reduction and the achievement of a pure metal
The reduction of the ore occurs in a retort in which there is noticeably no combustion.
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Ordinary coal, such as that mined from the mine, can be used to provide the fixed carbon which is used for ore reduction. A typical mineral which can be used herein is hematite, although the application of the invention to the production of metals other than iron is contemplated.
It is intended to indicate that the basic feature of the invention is distinguished mainly by the large amount of materials which can be used in its application.
Thus, among metallic ores and in particular iron ore, a small number of those which can be used in the practice of the invention include oxides, carbonates, hydrates and sulphides. ores of metals other than iron can also be reduced by the present process. Again, the nature of the fuels which can be used can vary widely and among them we can mention anthrax, bituminous and semi-bituminous coals. , lignites, peats, limonites or other analogous kinds of hydrocarbons, wood, charcoal, coke, bituminous salts and the like,
and generally any material which contains a significant amount of fixed carbon compatible with the conditions of this process,
When the reduction operation is complete, a substantially pure iron is obtained and it is supplied to any suitable smelting furnace for the production of billet iron. If it is the steel which is to be the final product. nal, this steel can be produced economically by feeding the molten metal into a furnace making all steel.
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suitable, To make any special steel or carbon steel desired, various ingredients are added according to well-known metallurgical rules, Due to the comparative purity of the metal obtained by this process, intermediate operations, such as for example decarbonization,
which, for example, are expensive and are expedients for the best, are avoided. By this process, molten iron can be made directly into steel and the composition of the steel can be controlled exactly due to the relative purity of the iron . The composition of the steel is also more uniform and absorption of the modifier or alloying ingredient may occur to a greater extent than hitherto.
The economy of these processes is so great and the fuel economy so great that as to the nature of the steels produced there is a new inventive factor in that the modifying ingredients or elsewhere of the steel can be used economically in a relatively pure state, thereby eliminating the complexity in the manufacture and processing of steel, conformed to the present practice, according to which the ingredients are used in an impure form in order to be sufficiently inexpensive,
The accompanying drawing shows schematically a possible embodiment of the invention, but it is not limited to this example. It will be understood, for example, that although a retort or reduction device with multiple phases has been shown. ,
a single phase retort can be used, with a corresponding modification in the pump installation which produces suction in
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retort, in accordance with the principle described in the above.
In the drawing, 1 and 2 denote respectively fuel and ore distributors from which certain quantities of these materials pass through tanks 3 and 4 and from there into crushers 5 and 6. Then suitable quantities in pods, determined on scales 7, 8, are fed into a mixer 9. The fuel and ore thus enter the reduced pressure reduction retort 10 in a state of intimate mixing, the materials having been pulverized relatively fine. This retort may be single phase or divided by transverse septa into several compartments in any number desired, but preferably I, II, III and IV.
Compartment I receives materials from storage 9 and the solid constituents are at the end discharged from compartments IV. The retort 10 is heated externally electrically or by several burners A, B, G, D arranged in any suitable manner, or near the IV compartment. These burners can be of any usable type and they preferably consume combustible gas, which is either pre-mixed or stratified with the air supporting the combustion, depending on the construction of the furnace. Starting from these burners, the burners Combustion products pass outwardly along the retort to the inlet end thereof, and are then discharged from the furnace as indicated by dotted line 25.
A gradually decreasing temperature is thus maintained going towards the inlet of the retort.
In compartment I, methane and other
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Coal gas constituents are produced In the next compartment lighting gases are evolved and in the last compartments hydrogen is released and carbon monoxide is produced. However, this explanation given by way of example is not limiting.
All the solid residue from the retort 10 passes into a condenser 11, comprising a water circulation system. The outlet of the refrigerant is suitably guarded to prevent the ingress of air, while its inlet, which is in communication with the retort, subjects this refrigerant to the reduced pressure which is obtained in the retort. , Sufficient cooling of the metal then occurs to prevent oxidation of the spongy iron when exposed to air and to prevent damage to the machines 0 Starting from the condenser 11, the solid residue can be passed through a sprayer 12, and thence into a separator 13, which magnetically separates the mind from other solid matters,
the metal entering the metal tank 14 and the other material being discharged as residue.
16 designates a waste heat boiler or heat exchanger, in one or more sections I, II, III, IV communicating separately with the designated compartments analogously to retort 10. One or more suction pumps 17, communicating with the sections of the waste heat boiler 16, can be driven by motors using the steam produced in this boiler. When each compartment of the retort 10 has its individual pump, one or more suction pumps 10 have its individual pump. can vary the aspira-
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'tion in the various compartments according to the quantities of gas which are produced there and according to other operating conditions, then constantly decrease the pressures in the compartments by going towards the outlet end of the retort,
if desired. From the suction pumps, the retort gases pass through a washer 19, then through a condenser 20, a by-product collector 21, a final condenser 22 and finally into a gas gasometer fuel 23. 24 leaves a control and distribution chamber from which a fuel gas pipe 26 serves to heat the horn 10. Several compression pumps 18 are provided and are driven by any suitable apparatus which can use fuel gas supplied by a conduit 27 leaving from the control chamber 24. One of these pumps 18 distributes the combustible gas to the burners A, B,
L, R of retort 10 through pipe 26, while the second pump supplies air for combustion in the burners through pipe 28.
The first pump supplies cold water to the refrigerant 11 through a pipe 29, the water which leaves this refrigerant entering the waste heat boiler 16 through a pipe 30,
All of the apparatus used in the application of this process can be supplied with combustible gas produced in the system. Of course, the thermal capacity of the combustible gas can be converted into steam or electrical energy to allow convenient distribution. In any case, the crushers 5, 6, the mixer, 9, the pulverizer 12, the separator 13 and the like can be driven by force.
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thus produced at the center. Electrical power or fuel can also be supplied to the smelting and steelmaking furnaces 34 and 35 described below,
To automatically regulate the temperatures and pressures in the retort, a central adjustment system is used. This comprises suitable thermo-blows corresponding to the compartments of the retort,
These thermo-couples can control the induction coils and hence the controls for the burners which heat the retort. Other suitable communications ensure that the reduced pressure conditions in said compartments are definitely controlled by the thermomaxes. The desired pressure-temperature ratio is thus maintained.
It can be seen that the system described above is complete in itself, since it produces all the combustible gas and the force necessary to control it. The excess fuel gas can be supplied from the distribution chamber 24 to the main drive line.
The melting and steelmaking furnaces 34 and 35 can be used to make the metal into any desired steel, alloy or other metal and can also refine the crystal structure of the metal. The metal is first melted in. a melting furnace 34, and the billet iron can be obtained at this point. For steelmaking, the metal may be fed in the molten state to one or more steelmaking furnaces 35. Several of these furnaces can be used; in each of them a different kind of alloy or steel is made simultaneously.
There is thus a movement
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virtually continuous metal from tank 14 into melting furnace 34 from where molten metal can be fed so multiple times into several steelmaking furnaces 35, with simultaneous manufacture therein of different types or grades of steel
To facilitate the removal of impurities in the melting furnace, a bath of sodium hydrate and calcium oxide can be used. The resulting metal is substantially pure.
By way of recapitulation, it will be stated that an approximately pure metal is obtained by the reduction and mechanical separation process described above due to the aspiration of gases into the retort. This metal is immediately dispensed for use. in smelting and steelmaking furnaces and processed into a higher grade alloy or steel, or other metal of substantially equal crystal structure.
The reduction operation described here is a semi-direct operation. The reduction of the ore is carried out by the carbon itself and the carbon monoxide formed is available as a fuel. The reactions are greatly reduced to the decomposition of iron oxide and the formation of 00. What is said above is also true of iron carbonate. Hydrogen sulfide and other gases are sucked in so that they cannot attack the metal or react with each other. This result can be facilitated by phased aspiration.
The aspiration of gases can take place at any pressure lower than that which would be obtained without rapid evacuation of the gas; this pressure can even be lower
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at atmospheric pressure, and preferably as low as improved furnace construction can afford and require in operation.
The aspiration of the retort gases under a gradual or phased temperature allows the oxygen in the hematite (if this is the ore used) to come into direct contact with the carbon (fixed from the fuel towards and during the last operations of the reduction (during which the fastest production of carbon monoxide and hydrogen takes place), because, due to the pressure conditions required, the Amorphous carbuncle is at all times practically prevented from absorbing or adsorbing gases of any kind. In the last reduction operation;
, which is that in which hydrogen is produced, the carbon begins to combine with the oxygen of the hematite under conditions which facilitate the reduction of the ore and the formation of CO gas.
By this process, a high percentage of carbon wave is obtained, while the percentage of carbon bi-oxide is very low or zero.