Brevet FR2115049A1 — publié le 19720707

La présente invention concerne les procédés de fabrication du fer spongieux à basse teneur en carbone qui sert à obtenir le fer pur. On connatt déjà un procédé de fabrication de fer spongieux à partir du minerai de fer dans des cornues à action périodique. Suivant ce procédé, on fait passer à travers le métal à traiter un gaz réducteur dans une seule direction, de haut en bas, avec refroidissement ultérieur de ladite matière par du gaz naturel dans une atmosphère non oxydante. Le gaz réducteur étant obtenu par réformation,à la vapeur d'eau, du gaz naturel. Cependant, on ne peut obtenir, selon ce procédé que du fer spongieux à teneur minimale en carbone de 1-2 % en poids tandis que pour obtenir du fer pur il est indispensable de disposer de fer spongieux à teneur en carbone de 0,02-0,04 % en poids. En outre, selon le procédé connu , on insuffle dans le minerai de fer le gaz réducteur dans une seule direction, ce qui ne permet pas d'obtenir une réduction homogène du fer suivant la hauteur de la couche traitée. Les études ont montré qutennttilisant comme réducteur que du gaz naturel ayant subi la réformation à la vapeur d'eau on ne peut obtenir du fer spongieux à basse teneur en carbone étant donné que, lorsqu'on utilise le gaz au stade final de réduction, on obtient simultanément une carburation du fer due à la décomposition de l'oxyde de carbone. L'utilisation de l'hydrogène seul comme réducteur unique ne permet pas d'obtenir de bonnes conditions économiques étant donné qu'à basses températures l'hydrogène est un réducteur faible et sa consommation dans le procédé est excessive ; en outre, la durée totale des opérations de mise en oeuvre d'un tel procédé est excessive, ce qui compromet le débit global de l'appareil. Le but de la présente invention est d'éliminer les inconvénients indiqués ci-dessus. On s'est donc proposé d'élaborer un procédé de production de fer spongieux à basse teneur en carbone, capable d'abaisser considérablement la teneur en carbone du produit fini. On a résolu ce problème grâce à un procédé de production de fer spongieux à basse teneur en carbone consistant à faire traverser le minerai de fer de départ par un gaz réducteur chauf fé avec refroidissement consécutif du fer spongieux dans une atmosphère non oxydante. Conformément à l'invention, on fait traverser d'abord le minerai mentionné par un gaz oxydant chauffé, et on réduit ce minerai à l'aide d'un gaz réducteur carboné chauffé en atteignant un taux de transformation en métal de 6080% en poids avec, réalisés successivement, une réduction définitive par l'hydrogène chauffé et un refroidissement par l'hydrogène. On arrive finalement à un fer spongieux dont la teneur en carbone est beaucoup plus basse que la teneur en carbone du fer spongieux obtenu selon les procédés connus. Il est avantageux de faire passer les gaz réducteurs à travers la matière mentionnée alternativement de haut en bas et de bas en haut. La matière traitée subit dans ces conditions une réduction homogène suivant la hauteur de la couche traitée. Pour expliquer l'invention, on décrit ci-après un exemple, bien entendu non limitatif, de réalisation du procédé selon l'invention. On charge la cornue avec de la matière première (minerai de fer, boulettes ou concentré) et on chauffe cette matière en la faisant traverser par un gaz oxydateur (produit de combustion d'un combustible). Puis, on réduit la matière première par du gaz naturel ayant subi une réformation et chauffé ou par un autre gaz carboné (gaz de synthèse, gaz de réaction endothermique, etc), jusqu'à ce que le taux de transformation en métal devienne égal à 60-80 % en poids. La réduction définitive de la matière première est effectuée à l'aide d'hydrogène chauffé, la température du gaz ne devant pas être supérieure à la température de commencement de ramollissement de la matière première . A la fin du procédé, on fait passer à travers la matière à traiter de l'hydrogène froid pour refroidir le fer spongieux à basse teneur en carbone gui a été obtenu. On admet le gaz réducteur dans la cornue alternativement par le haut et par le bas en égalisant ainsi le taux de réduction du fer spongieux suivant la hauteur de sa couche, ce qui rend le fer spongieux plus homogène du point de vue de sa composition ; la qualité du fer spongieux s'améliore grâce à l'élé- vation du taux de réduction moyen et de la quantité de fer métallique ; la durée de traitement de la charge diminue et le débit de l'installation augmente. La suite des opérations du procédé spécifie conduit aux résultats suivants. La réduction du minerai s'effectue aussi bien dans le domaine régi par la cinétique que dans celui régi par la diffusion. Aux températures relativement basses, la réduction se produit dans le domaine régi par la cinétigue qui donne lieu à l'adsorption, à la diffusion, à des réactions chimiques et à la désorption. Dans ce domaine, l'oxyde de carbone est plus adsorbé que l'hydrogène, aussi la réduction par l'oxyde de carbone intervient-elle beaucoup plus rapidement que la réduction par l'hydrogène. En outre, les réactions de réduction, par l'oxyde de carbone, de l'oxyde ferrique en fer métalliqueysont accompagnées d'un dégagement de chaleur, aussi se déroulent-elles à basse température . L'échauffement et la réduction du minerai ont pour effet d'augmenter sa perméabilité aux gaz et sa réductibilité. A des températures plus élevées, la réduction du minerai se déroule dans le domaine régi par la diffusion où l'adsorption des gaz est pratiguement nulle. L'hydrogène ayant une masse moléculaire très inférieure à celle de l'oxyde de carbone, sa vitesse de diffusion est beaucoup plus importante que celle de l'oxyde de carbone. D'autre part, les réactions de réduction de l'oxyde ferrique en fer métallique par l'hydrogène sont endothermiques, ce qui explique qu'elles ont surtout lieu aux températures élevées. Pour ces raisons, dans le domaine indiqué, la réduction par l'hydrogène est plus rapide que la réduction par l'oxyde de carbone d'autant plus qu'à ce stade la perméabilité aux gaz et la réductibilité du minerai augmentent du fait de sa réduction préalable par l'oxyde de carbone, et par conséquent la diffusion s'améliore. Ainsi, la réduction consécutive, d'abord à basses températures par le gaz naturel ayant subi la réformation et ensuite à hautes températures par l'hydrogène seul, permet d'intensifier la réduction du minerai. Pareille intensité ne peut etre réalisée en utilisant comme réducteur soit le gaz naturel ayant subi une réformation, soit l'hydrogène seul. Le noir de carbone résultant de la décomposition de l'oxyde de carbone se dépose à la surface des morceaux de minerai et dans ses pores. Au cours du chauffage ultérieur, les oxydes de fer sont réduits par le noir de carbone en fer métallique avec dégagent d'oxyde de carbone et d'une quantité négligeable de bioxyde de carbone. Pour que la réduction des oxydes de fer par le noir de carbone intervienne, il n'est nécessaire que de fournir une quantité de chaleur suffisante, l'hydrogène chauffé utilisé pour la réduction définitive servant d'agent vecteur de chaleur. Ainsi, la carburation de la matière première à réduire résultant de la décomposition de CO n'entrave pas l'obtention du fer spongieux à basse teneur en carbone, étant donné que le noir de carbone déposé est un réducteur actif réduisant les oxydes de fer. Pour prévenir l'oxydation et la carburation secondaires du fer spongieux à basse teneur en carbone, on le refroidit par 1 'hydrogène froid. On a mené des essais avec des boulettes contenant 66-67 X de fer. Comme réducteur, on a utilisé du gaz naturel ayant subi une réformation et contenant ( en volumes pour cent) C 2 4,2 - 8,0 CnHm 0,1 - 0,4 2 50,0 -- 55,6 CO 34,2 - 37,8 Lorsque le taux de transformation du fer spongieux en métal atteint 70 %, sa teneur en carbone est de Oj06 X, alors qu' en cas d'utilisation, pour la réduction définitive, de gaz ayant subi une réformation, le taux de transformation en métal atteint 80 % et plus, la teneur en carbone commençant à croitre plus rapidement d'ailleurs que la transformation en métal. Après utilisation de l'hydrogène pour la réduction définitive jusqu'à un taux de transformation en métal supérieur à 70 X, la-teneur du fer spongieux en carbone est de 0,02 - 0,04 %. La durée de la réduction par le gaz naturel ayant subi une réformation jusqu'à un taux de transformation de 65-70 X est de 1,5-3 heures. La réduction définitive par l'hydrogène étant réalisée pendant deux heures, le taux de transformation en métal augmen- te jusqu'à 95-96 X . Après le refroidissement par l'hydrogène du fer spongieux à un taux de transformation en métal indiqué, on décharge le fer à une température de 200-250"C. Dans ce cas, l'oxydation du fer spongieux n'a pas lieu. Les essais ont démontré que l'intensité élevée de la réduction du minerai a pour conséquence une élévation du rendement de l'appareil de 25-30 % par comparaison avec l'utilisation de l'hydrogène seul, le prix de revient de la conversion étant abaissé grâce à l'utilisation comme réducteur d'un gaz naturel ayant subi une réformation, agent peu onéreux. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement indiqués ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication du fer spongieux à basse teneur en carbone consistant à faire passer à travers la matière première un gaz réducteur chauffé avec refroidissement ultérieur du ger spongieux dans une atmosphère non oxydante, caractérisé en ce que l'on fait traverser d'abord la matière indiquée par un gaz oxydant et l'on réalise la réduction de cette matière par un gaz carboné chauffé jusqu'à un taux de transformation en métal de 60 à 80 X, avec réduction finale par l'hydrogène chauffé et un refroidissement ultérieur par l'hydrogène. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait passer les gaz réducteurs au travers de la matière indiquée, alternativement par le haut et par le bas. 3. Fer spongieux à basse teneur en carbone obtenu par mise en oeuvre d'un procédé selon la revendication 1 ou 2.