Brevet FR2117949A1 — publié le 19720728

La présente invention concerne un procédé pour l'élaboration de la fonte dans les hauts fourneaux avec un minimum de dépense de coke et avec une produc- tivité accrue. On connaît à l'heure actuelle de nombreux procédés et installations pour l'élaboration de la fonte, lesquels s'efforcent tous dtintensifier les phénomènes qui se produisent dans le haut fourneau classique et d'y réduire la consommation spécifique de coke, mais les résultats obtenus jusqu'à présent ne sont aY satisfaisants. Ainsi, par l'emploi de charges classiques, agglomérés autofondants, minerais ou pellets préréduits, en introduisant des combustibies auxiliaires ou en augmentant la teneur d'oxygène dans l'air soufflé, on a réssi à diminuer graduellement la consommation spécifique de coke qui, pourtant, n'est pas tombée au dessous de 400-500 kg/t fonte, environ. On connaît également des procédés qui visent à accroître l'apport thermique en transformant l'énergie électrique en chaleur à l'intérieur du haut fourneau (par arc ou résistance électrique de la charge) ou à l'extérieur de celui-ci; tous ces procédés attirent néanmoins nombre dtinconvénients en raison du fait que l'élaboration de la fonte dans le four électrique à cuve normale ou basse ne donne qu'une faible productivité, qui ne dépasse pas 250 t/fonte/jour, cependant que les dépenses d'énergie électrique atteignent 2000 à 2500 kWh/t/fonte et que la dépense de coke se maintient assez élevée, soit à 300 à 400 kg/t/fonte, même après l'amélioration apportée par l'utilisation de minerais enrichis, de l'aggloméré auto-fondant ou de la charge préréduite. Les procédés qui visent à accroître le degré de réduction indirecte Far le recyclage d'une partie des gaz incomplètement utilisés n'ont pas mieux réussi à diminuer sensiblement la dépense spécifique de coke, tandis que l'utilisation des gaz de conversion sour- flés dans la cuve requiert des installations complexes et n'assure même pas l'accroissement de la capacité unitaire de production. Pour ce qui est des fourneaux électriques, où la masse de la charge jou le rôle de résistance électrique, ils conservent les inconvénients des fourneaux à arc, à savoir : consommation élevée d'énergie électrique (due à la faible ré- duction indirecte), productivité sensiblement moindre que celle des fourneaux classiques, et consommation de coke entre 200 et 300 Ig/t fonte. On connaît encore un procédé, basé sur l'intensification électrique de l'élaboration de la fonte de haut fourneau et suivant lequel, afin de di:nlner la consommation spécifique de coke et d'accroître la productivité des fou---eau- on introduit l'énergie éleetriq7ie dire tement eans le fourneau, au niveau des tuyères, ou bien à d'autres niveaux sur la hauter du creuset, de l'étalage o7 de la cuve; l'énergie électrique est introduite par l'intermédiaire dXelecaro- des au carbone, graphite ou autres matéris-:, l'installation des électrode étant pourvue des moyens de refroidissement correspondants.La chaleur Co-- - par l'énergie électrique se dégage pratiquement sans pertes à l'intérieur du fourneau grâce à l'effet de résistance de la charge et notamment grâce au lit de coke et matériaux fondus dans le creuset. Les gaz insufflés par les tuyères dans le haut fourneau contiennent dans leur totalité ou en partie, des hydrocarbures gazeux, de préférence des gaz des marais préchauffés à 600 - 700 C, qui s'ajoutent à l'air chaud, dont la température se maintient à 1000 - 12000 C. Lorsque le but proposé est de réaliser le maximum d'économie de coke, l'air chaud est introduit dans le haut fourneau seulement par des tuyères supplémentaires, dans une zone supérieure de la cuve, et par la combustion partielle du gaz des marais dans la cuve on assure un préchauffage à 700 - 800" C de la charge sans perdre le carbone du coke; on peut encore introduire, par les tuyères supplémentaires, des gaz de combustion à la température de' 700 - 800" C, en dosant la quantité d'azote introduite dans le haut fourneau de façon à ce que les gaz évacués maintiennent un rapport de 1 : 3 entre les volumes de N et de H qui, de ce fait, pourront être utilisés dans l'industrie chimique. Dans ces conditions, les agents réducteurs formés par le méthane et les produits de dissociation thermique et combustion partielle des hydrocarbures gazeux insufflés, lesquels, au contact des matériaux incandescents - dont la température se maintient autour de 18500 C à l'aide de l'énergie électriquese dissocient en hydrogène et carbone, ou hydrogène et oxyde de carbone, assurent la réduction pratiquement totale dans la cuve des oxydes de fer de la charge, en compensant la faible consommation de coke. Le débit du gaz des marais supplémentaire insufflé dans le haut fourneau comme substitut du coke ne dépend que de la quantité d'énergie électrique introduite dans le haut fourneau et qui varie pratiquement de 1,1 à 1,5 kWh/Nm3 de méthane. Ce procédé ne réduit qu'en partie les inconvénients des procédés déjà décrits, par le fait que l'on maintient le soufflage d'une forte quantité d'air chaud par les tuyères, cependant que la forte quantité de gaz chauds devant traverser le métal en fusion entraîne des perturbations dans la circulation et la répartition non uniforme des gaz sur la section du fourneau. En raison de la circulation et de la composition réductrice des gaz, on obtient une réduction directe très poussée des oxydes de fer, mais la consommation de coke demeure toujours relativement élevée, c'est-à-dire à environ 200 kg/t fonte. Le procédé conforme à l'invention élimine tous ces inconvénients par le fait que, afin d'intensifier l'élaboration de la fonte au moyen de l'énergie électrique appliquée de la façon connue, par l'intermédiaire d'électrodes placées à plusieurs niveaux entre les tuyères et la base de la cuve du haut four neau et grâce à une faible consommation de coke, il fait recirculer dans le haut fourneau environ 50 à 70 % des gaz propres de combustion, pré chauffés à des températures voisines de 1200"C par les tuyères usuelles et par d'autres, supplémentaires, situées au-dessus de la zone de fusion, à plusieurs niveaux, jusqu'au tiers inférieur de la cuve du fourneau, soit séparément, soit avec des quantités supplémentaires d'hydrocarbures liquides ou gazeux, qui compensent la consommation amoindrie de coke et maintiennent de la sorte une répartition uniforme des gaz réducteurs à travers la section du haut fourneau. Une forme de réalisation pratique de l'invention est décrite ci-après en référence au dessin annexé dans lequel la figure unique représente une coupe longitudinale dans le plan vertical d'un fourneau servant à l'élaboration de la fonte. L'installation comporte, comme on le sait, un fourneau 1 pour l'élaboration de la fonte, muni d'électrodes 2 de graphite, ou en autres matériaux conducteurs de l'électricité et réfractaires, placées à plusieurs niveaux, entre le niveau des tuyères, non représentées, et la base de la cuve 3. Les électrodes sont branchées sur le secondaire de transformateurs de courant alternatif, non représentés, du même type que ceux utilisés dans les fours électriques des aciéries. Entre le niveau courant des tuyères et le tiers inférieur de la cuve 3, on dispose des orifices de soufflage sur plusieurs rangées, à travers lesquels on introduit les combustibles auxiliaires et les gaz de fourneau recirculés et préchauffés. Afin de réaliser une circulation satisfaisante, les orifices de soufflage ont des inclinaisons et sections qui permettent aux gaz d'arriver jusqu'au centre de la colonne de matériau. 3 Ainsi, dans un fourneau à volume utile de 213 m3, on introduit, par la par- tie supérieure, la charge, laquelle, rapportée à une tonne de fonte, a la teneur suivante - 950 kg de minerais de fer dont la composition est : Fe = 54%; Mn = 1,8%; P = 0,01%; S = 0,04; Si02 = 3,5%; A1203 = 2,0%; CaO = 6,0; Mg = 1,5%; H20 = 4,5%; - 500 kg de minerais de fer dont la composition est : Fe = 62,4; Ma = 0,1 P = 0,06%; S = 0,03%; SiO2 = 5%; A1203 = 3,5%; CaO = 0,6%; MgO = 0,1%; - 250 kg de minerais de fer dont la composition est la suivante :Fe = 46%; Mn = 0,07%; P = 0,06%; SiO2 = 30%; A12Q3 = 2,3%; CaO = 0,9%; MgO = 0,2%; - 140 kg de coke ayant la composition : C fixe = 83,4%; cendres = 13%; matières volatiles = 1,5%; S = 2,1%; eau = 4%. Par les tuyères et les orifices supplémentaires de soufflage on introduit 818 Nm3 de gaz recirculés, préchauffés à 10000C et ayant la composition C 2 = 21,9%; CO = 39,5%; Kp 34,5%; H20 = 4,1%. Par les mêmes tuyères et orifices de soufflage on introduit également 180 Nm3 de méthane. Pour satisfaire aux besoins de chaleur, on dépense 1450 kWh d'énergie électrique. Le haut fourneau donne - 1000 kg de fonte d'affinage, teneur : Si = 0,8%; Ma = 0,9%; P = 0,07%; S = 0,03%; C = 47. Fe = 94,2%; - 336 kg de laitier, teneur : SiO = 33,7%; A1203 = 14%; CaO = 40,2%; MgO = 5,5%; Ma0 = 3,4%; FeO = 1,2%; CaS = 2,0%; - 1510 Nm3 de gaz brut, teneur : C02 = 19,9%; CO = 35,9%; H2 = 31,4%; H20 = 12,8%. A l'intérieur du fourneau, on place trois groupes d'électrodes de graphe te de 500mm de diamètre, situés à 1200 l'un par rapport à l'autre, dans des plans horizontaux, au niveau des tuyères, au milieu de l'étalage et à la base de la cuve. La position des électrodes dans les différents plans horizontaux diffère de 40 . Les électrodes sont montées dans des supports refroidis à l'eau, tels que les supports des fours électriques de 50 tonnes des aciéries. L'énergie électrique est fournie par le secondaire d'un transformateur électrique de 15000 kVA. Les orifices de soufflage sont branchés sur le conduit annulaire existant et sont au nombre de six pour chacun des deux niveaux : courants et à la base de la cuve du fourneau. Le diamètre des orifices de soufflage est de 150mm, les orifices du plan supérieur (base de la cuve) étant inclinés vers le bas à un angle de 300 par rapport à l'horizontale. La position des orifices de soufflage des deux plans diffère de 300. Pour l'épuration du gaz brut, on peut avoir recours aux installations d'usage courant, tandis que pour la recirculation on utilise des souffleries rotatives et des conduits supplémentaires qui dirigent les gaz vers les Cowpers. Dans les Cowpers, les gaz recirculés sont préchauffés à 1000"C, puis amenés dans le conduit annulaire, par l'intermédiaire des conduits d'air chauds existants. Le méthane fournit au fourneau est introduit par les tuyères et par les orifices supplémentaires de soufflage situés à la base de la cuve. Les bilans des matériaux et thermique établis par le processus qui a lieu dans le fourneau conformément à l'invention montre que, par tonne de fonte, on obtient les consommations suivantes - énergie électrique : 1000 à 1500 kWh; - gaz de marais : 100 à 200 Nm3; - coke : 120 à 160 kg; - minerai de fer : 1750 à 2000 kg; - calcaire : 50 à 150 kg; La quantité des gaz recirculés et préchauffés à 900 - 11000C est de 7ff5 à 900 Nm3, des 1300 à 1500 Nm3 résultant du processus, la proportion des gaz recyclés variant de 50 à 70 70. Le procédé conforme à l'invention offre plusieurs avantages du fait qu'il permet - une réduction poussée de la consommation spécifique de coke par tonne de fonte élaborée; - la mise en valeur supérieure des gaz de fourneau; - la baisse de la consommation de calcaire; - une importante simplification du problème de la désulfuration (teneur en soufre de la charge quatre fois moins élevée environ) due à la diminution d la consommation de coke; - la diminution de la quantité de laitier, ce qui conduit à l'accroissement de la productivité du fourneau. REVENDICATION Procédé pour l'élaboration intensifiée de la fonte dans un haut fourneau, par l'application de l'énergie électrique au moyen d'électrodes placées à plusieurs niveaux, entre les tuyères et la base de la cuve du fourneau, caractérisé par le fait que, dans le but de réaliser une réduction complète des oxydes de fer avec une consommation minimale de coke, on recycle dans le fourneau 50 à 70% de gaz propres de combustion, préchauffés à des températures voisines de 12000 C, par les tuyères classiques et par des orifices supplémentaires de soufflage placés à plusieurs niveaux jusqu'au tiers inférieur de la cuve du fourneau, soit séparément, soit avec des quantités supplémentaires d'hydrocarbures liquides ou gazeux, qui compensent la faible consommation de coke, en maintenant de la sorte la répartition uniforme de gaz réducteurs sur la section du fourneau.