Brevet FR2064179A1 — publié le 19710716

La rédaction de minerais de fer s'effectue classiquement dans un haut-fourneau; on introduit dans la cuve le minerai de fer, le cas échéant-avec des matériaux d'addition ou fondants pour la formation du laitier, et du cocke, par 1'intermédiaire 5 du gueulard, tandis que l'air de combustion (vent) est introduit par des tuyères prévues à la partie inférieure ou creuset du haut-fourneau. Dans un haut fourneau classique , la totalité des opérations de fusion et de réduction doit être assurée par le coke et il est par conséquent nécessaire d'employer de grandes 10 quantités de coke. Cela présente un inconvénient, notamment dans ; cLG « des pays qui ne. disposent pas / source d'approvisionnement propre en charbon cokéfiable.- Un procédé connu consiste à réduire la consommation de coke en introduisant des hydrocarbures liquides ou gazeux dans la partie inférieure de la cuve ou bien dans l'é-13 talage du haut -fourneau. Dans ce procédé connu, les hydrocarbures sont insufflés dans le haut-fourneau par les tuyères ou par des buses particulières. On a également proposé d'introduire dans le haut-fourneau les hydrocarbures liquides ou gazeux à l'état partiellement brûlé, auquel cas l'oxyde de carbone et l'hy-20 drogène gazeux formés dans la combustion partielle assurent une partie du travail de réduction. De cette manière, il est possible de réduire la consommation de coke, mais il est cependant toujours nécessaire de faire intervenir des quantités importantes de cokë pour la marche du haut fourneau. Même si les gaz réduc-25 teurs sont insufflés à chaud, par exemple à des température de 950 à 1 000°C et que leur chaleur est cédée au minerai, la majeure partie du travail de fusion et de réduction est encore assurée par le coke avec un tel procédé. Dans tous les procédés où l'on introduit du coke en plus du minerai dans le gueulard et où par conséquent le minerai de fer descend en courant parallèle avec le coke dans le gueulard en fonction du déroulement de l'opération de fusion, il se produit-ce qu'on appelle la réaction de Boudouard qui consiste en une liaison de l'oxygène du gaz carbonique avec le carbone du 55 coke. Il se produit une réduction du gaz carbonique en carbone, cette réaction se déroulant à des températures supérieures à 1 000°C et se traduisant par une perte importante. L'invention a pour objet un procédé de réduction de minerai de fer dans un four à cuve qui élimine les inconvénients 40 et est caractérisé en ce qu'on introduit à la partie supérieure 70 36018 a 2064179 du four à cuve du minerai et éventuellement des additifs sans combustible ou sans coke et en ce qu'on introduit à la partie inférieure du four des gaz réducteurs provenant d'une combustion partielle avec leur chaleur de combustion et une chaleur àddi-5 tionnelle et le cas échéant du carbone solide sous forme pulvérulente, notamment sous forme de suie provenant de la combustion partielle. Il est par conséquent essentiel pour le procédé suivant l'invention qu'aucun combustible ne soit ajouté à la charge de minerai et de fondants introduite dans le gueulard de sorte 10 qu'il n'existe pas de carbone dans cette charge descendant dans le gueulard et qu'il ne peut par conséquent pas se produire de réaction de Boudouard. Suivant l'invention, la combustion partielle s'effectue avantageusement immédiatement avant l'entrée du combustible dans le four de sorte que la chaleur de combustion 15 est mise à profit d'une manière simple. Le cas échéant, la combustion partielle pourrait également s'effectuer à l'extérieur du four, auquel cas la chaleur de combustion-interviendrait indirectement dans le processus se déroulant dans le four. Pour augmenter la température, il est avantageux d'exécuter la combus-20 tion partielle avec un vent chaud. Pour augmenter la température, on peut en outre effectuer la combustion partielle également avec de l'oxygène de sorte qu'on n'a pas à échauffer la masse inerte d'azote utilisée dans le cas de l'air. Comme combustibles intervenant dans la combustion par-25 tielle, on peut utiliser des hydrocarbures liquides et/ou gazeux et/ou des combustibles solides. Du fait que la chaleur produite dans la combustion partielle n'est pas suffisante pour assurer la fusion du fer, on introduit une chaleur additionnelle dans la zone d'entrée des gaz partiellement brûlés. Suivant l'invention, 5° cette chaleur additionnelle est avantageusement utilisée sous la forme d'une chaleur produite électriquement, par exemple en utilisant des arcs à plasma ou à flamme ou bien des champs de tension dans les brûleurs et/ou sous la forme d'une chaleur produite par des arcs électriques ou par induction. Par introduction 55 de cette chaleur additionnelle, on peut obtenir la quantité de chaleur nécessaire pour la fusion, pour la réaction de réduction, etc... sans que l'opération de réduction nécessaire ait à être effectuée par les gaz d'une quelconque façon. Du fait qu'on élimine complètement l'introduction de coke 40 et d'autres combustibles dans le gueulard du four et que la 70 36018 2064179 charge située dans le gueulard contient exclusivement du minerai et le cas échéant des additifs servant à la formation du laitier, en ovite complètement la réduction du gaz carbonique (réaction de Boudouard) qui introduit des pertes dans les procédés connus. 5 Seuls les gaz de réduction chauds produits dans la combustion partielle , à savoir l'oxyde de carbone et l'hydrogène, s1écoulent à contre-courant par rapport à la charge de laitier et de fondants et assurent la réduction. La suie produite dans la combustion partielle sert à effectuer la réduction directe et à la 10 carburation du bain de fer. En réglant la quantité de suie descendante, on peut contrôler le degré de carburation du bain de fer et obtenir de cette manière un produit final qui est situé dans la zone comprise entre la fonte et l'acier sauvage. La quantité de suie descendante et par conséquent le degré de car-15 buration du bain de fer peuvent être réglés d'une manière simple en contrôlant l'entrée- de l'oxygène dans la zone de combustion partielle. Avantageusement, le procédé est mis en oeuvre de manière que les gaz partiellement brûlés soient introduits dans la partie inférieure du four à différents niveaux et de toute façon 20 avec des quantités d'oxygène différentes et à des températures différentes. On obtient ainsi une possibilité d'adaptation optimale aux conditions moyennes imposées de température et de réduction dans le four. L'invention permet par conséquent de supprimer complètement 25 le coke, ce qui est d'une importance particulière dans des pays qui ont des disponibilités nulles ou très limitées en charbon cokefiable. En outre, la rentabilité du procédé est améliorée par suppression de la réaction de Boudouard et un avantage important de l'invention consiste en ce que le procédé peut être appli-50 qué en permettant une commande continue de l'opération. Cette possibilité de commande est fournie du fait que la colonne de charge ne contient que du minerai et pas de coke et que l'introduction des gaz réducteurs peut être réglée de façon précise à tout moment, ce qui permet notamment un réglage précis de la 55 fourniture de chaleur, en particulier lorsque la chaleur additionnelle est produite par des moyens électriques. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé est caractérisé suivant l'invention c-11 ce qu'il comprend un four à cuve à la partie inférieure duquel il est prévu des brûleurs de dissociation 40 (dans le cas considéré, on entend par cette expression des brû- BAD ORIGINAL 70 36018 4 2064179 leurs dans lesquels le combustible est seulement brûlé partiellement pour former des gaz réducteurs). Ces brûleurs de dissociation peuvent êtrë réglés en vue de produire les gaz réducteurs ou la suie désirés. De préférence, ces brûleurs de disso-5 ciation sont répartis à différents niveaux, auquel cas i^ est avantageux que, suivant l'invention, les brûleurs placés au niveau le plus bas assurent principalement la génération de chaleur tandis que les brûleurs placés à un niveau plus élevé-., assurent principalement la génération du'gaz réducteur et de la 10 suie. Lors de l'application du procédé à un haut -fourneau de type connu, on introduit dans le gueulard exclusivement du minerai et le cas échéant des additifs servant à la formation du laitier tandis que les gaz partiellement brûlés sont introduits 15 dans l'étalage et/ou dans le creuset. Un haut-fourneau classique est cependant conçu de manière à recevoir du minerai et du coke dans le gueulard et il semble par conséquent avantageux de prévoir un four à cuve de conception particulière dont la partie inférieure, dans laquelle sont montés les brûleurs à dis-20 sociation, est élargie par rapport à la cuve, 'en ayant de préférence une section droite égale au moins à 1,5 fois, et avantageusement comprise entre 2 et 4 fois, celle de la cuve. D'autres avantages et caractéristiques d§4'invention seront mis en évidence dans la suite de la description , donnée à 25 titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : Figures 1 à 4 sont des coupes verticales de différents modes de réalisation d'un four à cuvej Dans le four à cuve de la figure 1, l'introduction du 50 minerai et des additifs s'effectue de la même manière^âans un haut-fourneau par le gueulard 1 et par l'intermédiaire d'une trémie de remplissage 2. On a désigné par 3 les cheminées d'évacuation des gaz du gueulard. Le minerai de fer arrive 4ans la cuve 4, la colonne de matière 5 se composant uniquement de mine-55 rai et le cas échéant d'additifs mais ne contenant pas de coke. En 6, la cuve 4 est réduite de section de la même manière que dans l'étalage d'un haut-fourneau classique. La partie inférieure 7 de la cuve est élargie par rapport au reste de la cuve. Des conduits 8 par lesquels de l'huile ou d'autres-hydro-40 carbures sont introduits , aboutissent à des brûleurs de disso- 70 36018 5 2064179 dation 9 qui sont répartis autour de la cuve du four. De l'oxygène pur et/ou d.u vent chaud sont fournis au brûleur par l'intermédiaire de conduits. 10. On a désigné par 11 le dispositif d'alimentation en courant électrique servant à produire la chaleur 5 additionnelle. Les brûleurs de dissociation 9 peuvent être agencés eux-mêmes sous forme d'électrodes ou contenir des électrodes et la quantité additionnelle de chaleur peut être produite par un arc à flamme ou à plasma. Dans le brûleur de dissociation 9, de l'oxyde de carbone 10 et de l'hydrogène sont produits par combustion partielle, ces gaz s'écoulent vers le haut en sens inverse de .la colonne .de minerai descendante 5 et assurent la réduction. Simultanément, du carbone est également produit dans les brûleurs de dissociation sous la forme de suie qui assure la carburation du fer. Sous l!action 15 de la chaleur, le fer et le laitier sont fondus et on obtient alors le bain de fer désigné par 12. Le mode de réalisation de la figure 2 se différencie de celui de la figure 1 simplement en ce qu'il est prévu pour produire la chaleur additionnelle une bobine d'induction 13. 20 Le mode de réalisation de la figure 3. se différencie de celui de la figure 1 par la disposition d'électrodes particulières 14. La disposition de la figure 4 se différencie de celle de la figure 3 en ce que les brûleurs de dissociation 9 sont prévus 25 dans une partie conique 6 de la cuve qui correspond à i'étalage d'un haut-fourneau. Les brûleurs de dissociation 9 sont également alimentés en huile ou autres hydrocarbures par les tuyaux 8 et également en oxygène pur avec ou sans vent chaud par les tuyaux 10, la fourniture de chaleur additionnelle étant assurée également 3° à l'aide d' un arc électrique produit par les électrodes 14. Lorsqu'on utilise comme combustible de l'huile de chauffage dans le procédé suivant l'invention et lorsque cette huile est brûlée partiellement par exemple avec de l'air non préchauffé de façon à produire environ 6uP de gaz normaux par kilogramme 55 d'huile, on obtient une température de flamme comprise entre 750 et 800°C. En cas de combustion partielle de la même huile de chauffage à l'aide d'oxygène pur, on obtient une température de flamme d'environ 1 400°Cj cette température de flamme peut- également être atteinte en cas de combustion partielle de l'huile de 40 chauffage à l'aide d'air lorsque cet air est échauffé à une tem- 70 36018 „ 2064179 O rature comprise entre 1100° et 1 200°G; Lorsqu'une chaleur additionnelle sous forme d'une énergie électrique , produite par exemple à l'aide d'un arc à plasma ou à flamme , est introduite dans un brûleur en quantité correspondant à environ 1 kwh/kg 5 huile de chauffage, la température de flamme augmente à une valeur comprise entre 1 700° et 1 800°G, à laquelle l'acier contenu dans le minerai peut être fondu sans difficulté. Une fourniture encore plus forte d'énergie électrique par kilo d'huile de chauffage permet d'augmenter encore la température de flamme. "1° Dans le cas d'une combustion partielle du combustible produisant de l'oxyde de carbone ou de l'hydrogène, on peut réduire les oxydes de fer dans la cuve du four d'après la formule générale suivante : Fe 0,r + y. C0 = x. Fe + y. C0o 15 y ou Fex0y + y. H2 = x. Fe + y. H20- Les résidus d''oxydes de fer peuvent être réduits directement par du carbone solide, comme dans un haut-fourneau classi-^ que. Le carbone produit dans la combustion partielle du combustible peut réduire directement le minerai conformément à la formule Fe 0 + C = Fe + C0 et le carbone en excès assure une carburation du fer. Dans le cadre du procédé de l'invention, on réduit de la même façon que dans un haut-fourneau fonctionnant normalement un 25 pourcentage important du minerai à l'aide de gaz réducteurs, mais ce pourcentage est bien plus grand dans le procédé suivant l'invention que dans le cas d'un haut-fourneau fonctionnant normalement . 30 70 36018 2064179 7 REVENDICATIONS 1 - Procédé de- réduction de rainerais, notamment de minerais de fer dans un four à cuve, caractérisé en ce qu'on ^introduit à la partie supérieure du fcur du minerai et éventuellement 5 des additifs servant à former un laitier, sans combustible ou sans coke, et en ce qu'on introduit à la partie inférieure du four des gaz réducteurs produits par combustion partielle avec leur chaleur de combustion et, une chaleur additionnelle, ainsi que du carbone solide sous forme pulvérulente, notamment sous 10 forme de suie produite dans ladite combustion partielle. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la combustion partielle s'effectue directement lors dé l'introduction du combustible dans le four à cuve. 3 - Procédé suivant l'une des revendications 1 ou 2, carac-15 térisé en ce qu'on utilise comme combustibles des hydrocarbures liquides et/ou gazeux et/ou des combustibles solides. 4 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la combustion est effectuée avec un vent chaud et/ou avec de l'oxygène industriellement pur ou forte- 20 ment concentré. . 5 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la chaleur additionnelle est introduite dans la zone d'entrée des gaz partiellement brûlés, sous la forme d'une chaleur produite électriquement, par exemple par 25 arc à plasma, par arc à flamme , par des champs de tension, par are électrique ou par induction. 6 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5 , caractérisé en ce que, lors de l'application à un haut-fourneau, on introduit dans le gueulard exclusivement du minerai, 5° le cas échéant mélangé à des matériaux d'addition, et en ce qu'on introduit des gaz partiellement brûlés dans l'étalage et/ou dans le creuset. 7 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la chaleur additionnelle est introduite 55 en quantité suffisante pour assurer la fusion du métal obtenu lors de la réduction du minerai. 3 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, lors de la réduction de minerais de fer, la carburation du bain de fer est réglée par contrôle de la four- 40. niture d'oxygène dans l'opération de combustion partielle et par \ t 70 36018 8 '• 2064179 conséquent par réglage de la quantité de suie produite.. 9 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les gaz partiellement brûlés sont introduits à la partie inférieure du four à cuve à différents 5 niveaux, auquel cas la combustion partielle des gaz introduits à la partie inférieure est réalisée avec un manque d'oxygène plus grand que la combustion partielle des gaz introduits plus haut. 10 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant 10 l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un four à cuve à la partie inférieure duquel sont prévus des brûleurs à dissociation. 11 - Dispositif suivant la revendication 10 , caractérisé en ce que les brûleurs à dissociation sont répartis à diffé- 15 rents niveaux. 12 - Dispositif suivant l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que la partie inférieure du four à cuve dans laquelle débouchent les brûleurs à dissociation est élargie par rapport à la cuve, en ayant de préférence une section droi- 20 te au moins égale à 1,5 fois, et avantageusement comprise entre 2 et 4 fois, la section droite de la cuve.