Brevet FR2035911A1 — publié le 19701224

La présente invention concerne un procédé et un appareil perfectionnés pour l'élaboration de l'acier, par réduction directe et fusion de minerai de fer, sous la forme de minerai finement concentré, ou de granules obtenues à partir d'un tel minerai, ce 5 procédé s'effectuant en deux stades. Plusieurs procédés de réduction de minerai de fer sont déjà connus, comme par exemple le procédé connu sous le nom de HSganSs, dans lequel on tasse un concentré de minerai de fer et du charbon dans des capsules qu'on chauffe, ou bien le procédé Wilberg-10 SSderfors, dans lequel on procède à la réduction du minerai arec un gaz qui est constitué sensiblement par l'oxyde de carbone, ce gaz de ïîéduction étant mis en circulation et rendu carburant dans un appareil approprié,, La réduction du minerai de fer avec un mélange gazeux de GO et de est avantageuse sous plusieurs rapports. 15 Dans la réduction du minerai de fer, dans des fours à cuve et également dans d'autres types de fours, tels que des fours tournants, on doit tenir compte du risque de formation d'un dépôt de la matière, c3 est-à-dire de son agglomération par combustion. 20 II ne faut donc pas laisser la température dépasser un certain niveau maximum au cours de la réduction. La.température la plus élevée qui peut être utilisée au cours de la réduction dépend de la nature du minerai et d'autres conditions, mais elle dépasse rarement 1000°C. Le risque de formation d'un dépôt influe 25 naturellement sur la vitesse de réaction et par conséquent sur la production et présente un obstacle sérieuK dans tous les procédés de réduction de minerai de fer (à l'exception des procédés faisant appel à des capsules). En outre, le minerai de fer réduit, qu'on élabore sans utiliser de capsules, doit être refroidi au-dessous 30 d'une certaine température car l'éponge de fer formée àu cours de la réduction est pyrophorique® Cette caractéristique de l'éponge de fer est un autre inconvénient et l'on doit tenir compte du risque de réoxydation et stocker le minerai de fer réduit dans des réservoirs étanches aux gaz ou de toute autre façon, afin d'éviter 35 un auto-allumage. Cette caractéristique complique également la fabrication du minerai de fer réduit par des procédés déjà connus et la rend plus coûteuse. La présente invention a donc pour objet de réduire au minimum les inconvénients précités,, A cet effet, selon la présente 40 invention, le premier stade du procédé est un stade de réduction 70 10824 2 2035911 préalable, qui consiste à réduire le minerai de fer en faisant .passer un gaz de réduction à travers une couche des granules précités ou en mettant ledit gaz en contact avec un minerai finement concentré chargé en continu et en faisant passer au moins une 5 partie de ce gaz à travers une charge fusible perméable aux gaz, par exemple des déchets ferreux ou des granules partiellement frit-tés, après quoi le gaz est évacué, par exemple dans une chaudière à gaz de récupération, le second stade étant un stade de fusion et de réduction finale, au cours duquel la charge préalable— 10 ment réduite, sans diminution préalable de la température au-dessous du degré nécessaire à la réoxydation, est fondue d'une manière connue et est finalement réduite en vue de l'élaboration d'acier ultérieur. Ceci permet donc de réaliser un procédé très économique 15 et avantageux. Ce procédé peut être particulièrement mis en oeuvre de façon appropriée dans un four à deux corps, ou de préférence dans ce qu'on appelle un four jumelé^ par exemple du type déjà décrit dans le brevet britannique n° lo010.645 et dans le brevet américain n° 3.379»815. Dans ces brevets, la structure du 20 four est conçue de manière que la charge soit préchauffée dans l'un des fours, pendant que la fusion de la charge avec de 1*oxygène gazeux et un hydrocarbure et la fusion à l'aide d'électrodes ou bien par apport de chaleur avec des électrodes s'effectue dans l'autre corps de four0 Cependant, dans la présente invention, ce 25 four jumelé est conçu de façon très préférable d'une manière parti-culièreo Lorsqu'on utilise un four jumelé comprenant un conduit pour les gaz qui relie les fours, il est notamment possible de mettre en oeuvre un mode de réalisation particulièrement avantageux 30 de ce procédé, qui se distingue par le fait que le stade de réduction préalable est effectué dans l'un des corps du four, alors que la fusion et la réduction finale ainsi que la production ultérieure d'acier sont effectuées dans l'autre corps de four, après quoi, lorsque le procédé est terminé, le rSle des corps de ce four est 35 inversé, de sorte que le corps de four utilisé pour le stade de fusion et de réduction finale, après la coulée et après la remise en état, si nécessaire, est utilisé pour le stade de réduction préalable pendant que la charge réduite au préalable dans l'autre corps de four est soumise à une fusion et à une réduction finaleso 40 À titre d'exemple, on va décrire le procédé de l'invention 70 10824 3 2035911 dans son application à un four jumelé, en se référant au dessin annexé sur lequel la fig. 1 est une vue en élévation-coupe longitudinale du four jumelé, et la fig. 2 est une vue en plan dudit four jumelé. Le four jumelé utilisé dans la présente invention est 5 un four à arc, comportant deux corps non basculants 1 et 2» Une voûte 3 supportant des électrodes est associée aux corps de fours 1 et 2 et peut être montée sur l'un ou l'autre de ceux-ci. En outre, une voûte 4 ne supportant pas d'électrodes, peut être montée alternativement sur les fours 2 ou 1, indépendamment de la voûte 3» 10 Les parois des corps de four 1 et 2 sont munies de petites ouvertures pour permettre le contrôle, le prélèvement d'échantillons et le soufflage à l'aide d'une lance. Des ouvertures 6 d'échappement des gaz sont ménagées immédiatement au—dessus du niveau des scories et aboutissent dans des canaux annulaires 1' et 2'» .deux 15 Ces/canaux annulaires sont munis de conduits 7 et 8 respectifs pour les gaz de carneau qui, a leur tour, comprennent des branchements respectifs 13 et 14, menant directement à une chaudière de récupération (non représentée)* Les quatre conduits à gaz sont pourvus de volets de réglage respectifs 7', 8', 13' et 14* et un 20 ventilateur 9 est raccordé aux conduites à gaz 7 et 8. Un conduit (non représenté) pour les gaz de combustion s*é"Çend k partir de cette chaudière pour gagner un dispositif de filtration et un ventilateur aspirant. En outre, les parties supérieures des fours jumelés sont reliées les unes aux autres par un conduit 5 pour les gaz, 25 comportant un volet réglable 5*o Sur la voûte 3 supportant les électrodes, sont prévus des dispositifs 10 pour l'alimentation des composés à partir desquels le gaz de réduction doit être engendré, de manière que l'alimentation s'effectue le long des électrodes 11. 30 De la sorte, tin four 2 peut être utilisé pour effectuer l'opération de réduction finale et de fusion pendant la production simultanée du gaz de réduction, pendant que l'autre four 1 sert de four de réduction préalable et de four de préchauffage pour la charge de déchets ferreux. La fonction des fours peut ensuite être 35 inversée. Le gaz en provenance du four de fusion 2 traverse le canal 5t au-dessus de la charge se trouvant dans le four de réduction 1, circule vers le bas à travers cette charge, sort par les orifices de sortie 6 pour les gaz, situés au-dessus dû niveau des scories, et gagne le canal annulaire 1'. On peut alors renvoyer 40 -une partie des gaz sortants dans le four de fusion, le conduit 8 70 10824 4 2035911 pour les gaz, le ventilateur 9 et le conduit 7 pour les gaz, aboutissant au four de fusion, en vue de la production d'une nouvelle quantité de gaz de réduction,, Le reste des gaz sortants circule dans les conduits 8 et 14 et passe directement dans la chaudière 5 où il est brûlé» Le fiinerai de fer peut être introduit directement dans le gaz circulant entre les fours, sous la forme d'un minerai finement concentré, grâce à une trémie 12 située dans la voûte 4, ou bien être chargé sur le dessus de la charge pour constituer une couche supérieure, sous la forme de granules qui traverse le 10 gaz de réduction. Du fait qu'il est extrêmement avantageux de mettre en contact le minerai finement concentré avec le gaz de réduction s*échappant du four de fusion, on Va décrire ce procédé ci—dessous de façon détaillée, 15 Comme mentionné ci-dessus, le gaz de réduction peut être engendré dans le four de fusion par injeotion dans ce four, d'un mélange de gaz naturel ou d'alcanes inférieurs, du gaz de pétrole liquéfié mais de préférence (GjHg) et de vapeur d'eau, pendant la fusion et, ensuite, de préférence entre les électrodes et la paroi 20 du four, A. la température élevée régnant dans la voûte, on obtient la réaction suivante s ^3^8 + ^2^ ™ + ainsi tin gaz de réduction contenant en général 30$ de CO et 70$ de En raison de la température élevée régnant dans le four de fusion, ledit gaz sort de ce four à la fin de l'opération de fusion, à des 25 températures comprises entre 1200 et 1500°C, Lorsque le nouveau minerai finement concentré, préchauffé si on le désire jusqu'à 850°G (au—dessus de cette température, le minerai finement concentré formerait un dépôt dans le gaz) est préchauffé par le gaz, la réduction s'effectue très rapidement et il se forme de la poudre 30 de fer, ou mieux, une poussière de fer qui se dépose sur les parois du four ainsi que sur la charge se trouvant dans le four de réduction. Dans le procédé selon la présente invention, il est préférable de préparer seulement un certain pourcentage de la charge sous 35 la forme de fer provenant d'un minerai concentré, par exemple un pourcentage de 30$, La charge se comporte alors comme un filtre et la fine poussière de fer se dépose sur la charge qui est requise pour la mise en oeuvre du procédé,, Dans le cas contraire, la poussière de fer serait entraînée et passerait par les conduits de sor-40 tie pour les gaz et. les obstruraient. 70 10824 5 2035911 Après que le gaz a été utilisé pour la réduction du minerai finement concentré, ce gaz passe, comme mentionné ci—dessus^ à travers la charge et la chauffe tout en se refroidissant» De ce fait, une grande partie de la chaleur physique du gaz de réduction 5 est recueillie pour chauffer la charge, ce qui fait que la fusion peut être exécutée plus vite et avec une consommation d'énergie plus faible quand le four de réduction est utilisé comme four de fusion. Dans une installation à four jumelé ayant une charge de 10 60 tonnes, chaque four a un volume de 70 m3 et la section transversale de la partie supérieure de chaque corps de four a une surface de 17,5 m2. Le rendement du four de fusion est 25 MV"A. Dans line telle installation, on a calculé que la réduction de 19 tonnes de fer devait prendre 1 heure. La consommation calculée en gaz de 15 pétrole liquéfié est de 150 kg par tonne de fer réduit, pour Tin taux de réduction de 90$. La consommation nette calculée est de 700 kVh/tonne de fer réduit, pour un degré de réduction de 90$ et le temps de charge, pour les deux fours communiquant entre eux est de 2 heures 10 minutes. 20 On obtient un bain liquide et on réduit du fer à partir d'un concentré de minerai de fer de la façon suivante. Dès que le bain liquide a été déversé hors du four de fusion, ce qui se produit de la même manière que dans un four Martin par ringardage, on fait pivoter la voûte supportant les électrodes pour l'amener au— 25 dessus du four dans lequel s'effectuent la réduction et le préchauffage. Après cette opération, le four vidé est remis en état et on commence ensuite à la charger avec des déchets ferreux massifs qu'on place dans le fond et des déchets ferreux plus légers qu'on dispose au—dessus, jusqu'à ce que 45 tonnes de déchets ferreux 30 aient été chargées dans ledit four. Pendant cette opération, on ferme le volet réglable dans le conduit pour les gaz s'étendant entre les deux fours et l'œpiration à partir du four de fusion est faite directement par les orifices de sortie dudit four, le canal annulaire et la chaudière. Lorsque les opérations de remise 35 en état et de chargement sont terminées, on fait pivoter la voûte comportant un dispositif pour l'alimentation en minerai finement concentré afin de l'amener au-dessus du four de réduction,, On ouvre le volet du conduit de raccordement et on règle les autres volets de manière que le gaz sortant du four de fusion soit aspiré dans le 40 four de réduction et, en passant par les orifices de sortie, par— 70 10824 6 2035911 Tienne dans la chaudière, ou bien revienne dans le four de fusion,, Le minerai finement concentré, qui peut être préchauffé jusqu'à S50°C^ est introduit dans le four de réduction de façon telle qu'il entre en contact avec le gaz venant du four de fusion0 Auparavant, 5 1®alimentation en gaz de pétrole liquéfié et en vapeur d'eau a commencé dans le four de fusion, on charge 27 à 28 tonnes de mine— rai finement concentré en une heure, minerai qui est réduit de façon continue dans le gaz de carneau très chaud, et la réduction continue jusqu'à ce que le minei^. incomplètement réduit adhère à 10 la charge située au-dessous du mineraio La réduction s'effectue pendant toute la durée de la fusion dans le four de fusion. Lorsque la charge est près d'être terminée dans le four de fusion, c'est-à-dire lorsque le carbone doit être éliminé au cours d'un processus d'affinage connu, au moment où 1'oxygène doit être introduit dans 15 le bain et qu'on doit régler la composition et la température , le gaz de pétrole liquéfié et la vapeur d'eau ne sont pas introduits0 Les gaz formés au cours de la période dé finition comprennent sensiblement de l'oxyde de carbone et on peut faire passer ces gaz dans le four de réduction pour terminer la réduction et pour con-20 tinuer à chauffer la charge,, Lorsque le four de fusion est complètement vidé, on répète le procédé en sens inverse. 70 10824 7 2035911 REVENDICATIONS 1. Procédé d'élaboration de l'acier par réduction directe et fusion d'un minerai de fer sous forme finement concentré ou de granules, -ce procédé étant mis en oeuvre en deux stades et étant 5 caractérisé par le fait que le premier stade comprend une opération de réduction préalable, dans laquelle on réduit le minerai en introduisant un gaz réducteur à travers une couche de ces granules, ou en mettant ce gaz en contact avec du minerai finement concentré en circulation, qui est introduit de façon continue, après quoi 10 on fait passer au moins une partie de ce gaz à travers une charge pouvant fondre et perméable aux gaz, par exemple des déchets ferreux ou des granules partiellement frittés, puis on évapue le gaz pour l'envoyer, par exemple, dans une chaudière de récupération, et que le second stade comprend une opération de fusion et de rédue-15 tion finale au cours de laquelle la charge réduite au préalable, sans que la température ait été réduite au-dessous de la valeur nécessaire pour la réoxydation, est fondue d'une manière connue per se et est finalement réduite en vue de l'élaboration ultérieure d'acier. 20 2» Procédé selon la revendication 1, dans lequel on utilise un four comprenant deux corps de four utilisés alternativement pour l'opération de réduction préalable ainsi que pour l'opération de fusion et de réduction finale, ce procédé étant caractérisé par le fait que la réduction préalable est exécutée dans l'un des 25 corps de four tandis que la fusion et la réduction finale ainsi que l'élaboration ultérieure de l'acier sont exécutées dans l'autre corps de four et, lorsque le procédé est terminé, on intervertit la fonction des corps de four de manière que le corps de four utilisé pour l'opération de fusion et de réduction finale soit uti— 30 lisé, après la coulée du métal et la remise en état, si celle-ci est nécessaire, pour l'opération de réduction préalable tandis que la charge réduite au préalable dans l'autre corps de four est soumise à une fusion et une réduction finale. 3. Procédé selon la revendication 2, dans.lequel on utili-35 se un agencement de four comprenant deux corps de four entre lesquels s'étend un canal de raccordement pour le transfert des gaz, ce procédé étant caractérisé par le fait que le gaz réducteur est engendré dans l'un des corps de four servant à l'opération de fusion et de réduction finale et, après avoir circulé dans le canal, 40 est introduit dans l'autre corps de four utilisé pour la réduction 70 10824 8 2035911 préalable,, 4» Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la chute de pression du gaz réducteur traversant la charge est compensée de manière que le gaz 5 ne puisse pas s'échapper du four, au-dessus de la charge# 5» Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que, dans l'opération de réduction préalable, la température du gaz réducteur, au moins dans la dernière portion de cette opération de réducteur préalable, dépasse la tem- 10 pérature à laquelle le minerai concentré réduit risque de former des dépôts» 6» Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le gaz réducteur est engendré par un gaz naturel craqué ou par des alcanes inférieurs avec de la 15 vapeur d'eau» 7» Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le gaz réducteur est engendré par un mélange d'un gaz de pétrole liquéfié et de vapeur d'eaue 8» Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 et 20 7, caractérisé par le fait qu'une, portion du gaz formé lors de la réduction et prélevé dans cette opération est renvoyé dans l'opération de réduction finale et de fusion pour engendrer de nouvelles quantités de gaz réducteur, l'alimentation en gaz de pétrole liquéfié ou en gaz naturel étant augmentée et l'alimentation en va-25 peur d'eau étant diminuée:* 9. Procédé selon.la revendication 8, caractérisé par le fait que les deux tiers du gaz prélevé sont remis en circulation et renvoyés dans l'opération de, réduction finale et de fusion» 10» Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 30 9, caractérisé par le fait que le minerai finement concentré introduit en continu ou la charge de granules sont préchauffés avant la réduction, mais à une température qui ne dépasse pas 850°G» llo Installation de four permettant de mettre en oeuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, cette 35 installation étant caractérisée par le fait que le corps de four ou, dans des installations à fours multiples, les corps de fours, % comportent plusieurs orifices par lesquels peuvent sortir les gaz en circulation, lesdits "orifices étant disposés à la périphérie du ou des corps de four et étant sensiblement équidistants» 40 120 Installation de four utilisé dans la mise en oeuvre 70 10824 9 2035911 du procédé selon la revendication 10, caractérisée par le fait que les oi'ifices sont disposés immédiatement au-dessus de la surface du bain liquide formé au cours de l'opération de fusion et de réduction finale<> 5 13. Installation de four utilisé dans la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 10 et comportant deux corps de four, cette installation étant caractérisée par le fait qu'une voûte desservant chacun des corps de four, ou chaque corps de four lui-meme, ou encore un canal de raccordement s'éten-10 dant entre les corps de four pour le transfert des gaz, comportent des dispositifs destinés à l'introduction du minerai finement concentré dans l'opération de réduction préalable. 14. Installation de four selon l'une quelconque des revendications 3 à 10j comportant deux corps de four entre lesquels 15 est disposé un canal de raccordement pour le transfert des gaz, cette installation étant caractérisée par le fait que l'installation comporte des dispositifs pour la fusion à l'arc électrique et des dispositifs servant à introduire dans l'opération de fusion et de réduction finale, des composés à partir desquels le gaz ré-20 ducteur est engendré. 15c Installation de four selon la revendication 14, caractérisée par le fait que les dispositifs servant à introduire les composés engendrant des gaz réducteurs sont disposés et orientés de manière que les électrodes se trouvent refroidies.