Brevet FR2132330A1 — publié le 19721117

La présente invention concerne un procédé continu pour produire de l'acier à partir de minerais riches finement broyésf en utilisant un brûleur à plasma On connaît déjà des procédés pour produire de l'acier à 5 partir de minerais pulvérulents à haute teneur en fer mais qui se déroulent plus ou moins de manière discontinue. En général, le minerai pulvérulent est réduit au moyen de gaz réducteurs dans des lits dits tourbillonnaires et la poudre à haute teneur en fer déchargée de ces derniers est briquetée dans une unité 10 d'affinage classique en vue d'être mise en oeuvre ultérieurement. Le briquetage est nécessaire parce que, en cas de chargement de poudre de fer dans l'unité d'affinage, cette poudre, même soufflée sous pression élevée, ne traverse pas le laitier dans l'unité d'affinage. -Dans ce procédé, non seulement la phase 15 intermédiaire du briquetage présente un inconvénient en raison de son caractère inéconomique mais, d'autre part, les opérations d'affinage classiques prévues à la suite du briquetage s'effectuent par lots et, par conséquent, de manière discontinue» Il a également déjà souvent été proposé d'utiliser des brû-20 leurs à plasma pour la fabrication de l'acier» Ainsi il est prévu dans le brevet n° 28 822 de la République Démocratique Allemande que les groupes métallurgiques classiques comme, par exemple, des fours Siemens-Martin, des convertisseurs, des fours à arc électrique, utilisés pour le chauffage, de préférence sup-25 plémentaire, soient munis d'un brûleur à plasma» Dans ce cas, les gaz inertes de type habituel utilisés pour la production du plasma peuvent être additionnés de gaz réducteurs. En outre, des substances réactionnelles pulvérulentes connues peuvent également être ajoutées au gaz pour épurer la matière fondue 30 et pour obtenir des alliages. Un procédé analogue est prévu dans le brevet américain n° 3 347 766. Le gaz réducteur amené au jet de plasma formé à partir de gaz inerte est introduit à un état hautement réactif dans le laitier d'un bain métallique d'un four à sole afin 35 d'accélérer ainsi le processus d'affinage- L'anode du brûleur à plasma est disposée dans le four à sole, ce qui entraîne une dépense fortement accrue et complique sérieusement le réglage du jet en raison des niveaux différents du bain et du laitier» Le "Journal of Metals", Janvier 1961, pages 51-5^ décrit, 72 11487 2 2132330 d'une manière générale, des possibilités d'application du brûleur à plasma dans le domaine de la métallurgie, y compris, par exemple, son utilisation comme source de chaleur pour des fours de fusion ou d'affinage classiques. En outre, il convient de 5 noter qu'une réduction d'oxydes métalliques difficiles à réduire peut être réalisée dans le jet à plasma en ajoutant du carbone et en empêchant les métaux formés de s'oxyder à nouveau» L'utilisation du brûleur à plasma pour la production continue d'acier et les avantages ainsi obtenus ne sont pas décrits 10 dans l'état cité de la technique. La présente invention, par contre, a pour objet, en utilisant un procédé du type cité, d'obtenir un déroulement continu du procédé de fabrication à partir du minerai jusqu'à l'acier terminé, de réduire les pertes de chaleur et de réaliser l'ins-15 tallation correspondante de façon qu'elle soit peu coûteuse et présente un faible encombrement. La présente invention consiste en premier lieu à pulvériser le minerai utilisé, à le transporter au moyen de gaz réducteurs dans un dispositif chauffé approprié, en l'enrichissant en même temps, puis à l'introduire dans 20 le jet de plasma d'un brûleur à plasma plongeant dans le bain d'un four de fusion* et à le soumettre éventuellement de manière continue à un traitement final effectue dans au moins une unité d'affinage raccordée au four de fusion.' Cela présente, en outre, l'avantage particulier que l'acier 25 terminé déchargé en continu peut être mis en oeuvre ultérieurement de manière ininterrompue, en particulier dans une lingo-tière à écoulement continu et sur les trains de laminoirs placés à la suite de cette dernière. L'oxyde de fer récupéré, dans le dispositif de dépoussiéra-30 ge, à partir des gaz brûlés de l'unité d'affinage ainsi que du four de fusion, appelé poussière LD, peut être recyclé et mis en oeuvre à nouveau. La réduction du minerai commencée dans le dispositif chauffé se poursuit à l'intérieur du jet de plasma du brûleur à plas-35 ma et se termine dans le four de fusion ou dans l'unité d'affinage faisant suite à ce dernier. Suivant une autre caractéristique de l'invention, on utilise en tant que gaz réducteur un gaz de dissociation qui est. obtenu à partir de charbon, de pétrole ou de gaz naturel, dans 72 11487 3 2132330 ■un conduit de dissociation chauffé, au moyen de la chaleur perdue d'un réacteur» Ainsi, le procédé suivant l'invention peut être utilisé d'une manière extrêmement économique en association avec une centrale nucléaire. 5 Suivant une variante de l'invention, il est prévu d'utili ser comme gaz réducteur un gaz de dissociation obtenu dans un conduit de dissociation, à partir de gaz naturel et de gaz brûlés dans le four, au moyen de la chaleur amenée au dispositif chauffé. Ceci permet d'obtenir un régime thermique encore amé-10 lioré. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention est expliqué plus en détail ci-dessous à l'aide de plusieurs exemples de réalisation illustrés aux dessins annexés « 15 la fig. 1 représente schématiquement une installation de production d'acier. La fig. 2 représente, à plus grande échelle, la zone de transport représentée à la fig. 1. La fig. 3 est une coupe suivant la ligne III-III de la 20 fig. 2. Les fig. ^ et 5 représentent chacune encore un autre exemple de réalisation d'une zone de transport. La fig. 6 est une coupe suivant la ligne VI-VI de la fig» 5« 25 La fig- 7 représente, en coupe, un exemple de réalisation d'un brûleur à plasma. La fig. 8 est une coupe suivant la ligne VIII-VTII de la fig» 7» La fig» 9 est une coupe suivant la ligne IX-IX de la 30 fig. 7« La fig. 10 représente, en coupe, un autre exemple de réalisation d'un brûleur à plasma. Comme représenté à la fig. 1, les minerais broyés finement, qui doivent avoir au moins une teneur en fer de 63% environ, 35 sont amenés à la trémie de chargement 1 à partir de laquelle ils arrivent dans la zone de transport 2. La trémie de chargement 1 débouche dans un pulvérisateur 3 dans lequel le minerai finement broyé est pulvérisé au moyen de gaz réducteur chaud pour être ensuite transporté en direction de l'axe longitudinal 72 11487 4 2132330 de la zone de transport 2. Dans la zone de transport 2 maintenue par le chauffage au gaz à la température de réduction nécessaire, le minerai pulvérulent est, en même temps, enrichi lors du transport ultérieur et est ensuite introduit dans le jet de 5 plasma d'un brûleur à arc à plasma 4- qui est raccordé, aussi près que possible du point de vue technique, à la zone de transport 2. En vue de la formation du jet de plasma, on amène au brûleur à arc à plasma 4-, par l'intermédiaire du conduit 5, des 10 gaz brûlés dans le four qui sont préalablement épurés afin d'éviter des ponts générateurs de courts-circuits. Le minerai pulvérulent introduit dans le jet de plasma par aspiration est entraîné, chauffé fortement et encore réduit dans une faible mesure. Les particules de minerai pulvérulent à présent liqué-15 fiées entrent dans la matière fondue avec le jet de plasma plongeant dans le bain métallique liquide d'un four de fusion 6 associé au brûleur à plasma 4-, Le jet de plasma, au moyen duquel les particules de minerai sont maintenues à une température d'environ 1 700°C, est réglé de façon à pénétrer suffisamment 20 loin dans la matière fondue pour que celle-ci soit correctement mélangée dans la mesure nécessaire à chaque fois. Etant donné que le minerai pulvérulent réduit, en se déplaçant jusque dans la matière fondue, n'entre pas du tout en contact avec de l'oxygène, le risque d'une nouvelle oxydation des particules fondues 25 est exclu. Dans le four de fusion 6, du carbure de calcium à faible rendement en acétylène, fondu dans un four à carbure de calcium 8, est amené en continu à l'état liquide en tant que fondant, à la matière en fusion par un conduit 7. Cette addition de fondant 30 sert, en premier lieu, à obtenir une désulfuration satisfaisante de la matière fondue ; en même temps, la teneur en carbone de la masse fondue peut également être augmentée, si nécessaire. Afin de renouveler le laitier, le four de fusion présente, au niveau de la surface du bain, au moins une fermeture à cuvette de dé-35 bordement 9 au moyen de laquelle le laitier excédentaire est déchargé en continu. Etant donné que, dans le four de fusion 6, un processus d'affinage se déroule dans une faible mesure par l'action du jet de plasma, le procédé peut ici être arrêté pour le cas où il 72 11487 5 2132330 s'agit de produire un acier de basse qualité. Afin de produire des aciers de plus haute qualité, il est prévu de raccorder directement au four de fusion une ou plusieurs unités d'affinage» Pour cela, on peut utiliser tous les procédés d'affina-5 ge pouvant être mis en oeuvre dans un four à sole. Dans l'exemple de réalisation, on utilise ion four à soufflage d'oxygène 10 qui, dans la zone de son fond, communique directement avec le four de fusiop 6 par un canal 11 à travers lequel la masse fondue entre dans le four à soufflage d'oxygène 10. Ce four à 10 soufflage d'oxygène 10, dans lequel l'affinage s'effectue, jusqu'à obtention de laitier, de manière habituelle au moyen d'une lance de soufflage d'oxygène 10'ainsi que par addition de chaux pulvérisée, permet d'obtenir un écoulement continu d'acier liquide à la sortie. La poussière dite LD, entraînée dans le canal 15 d'aspiration raccordé au four à soufflage d'oxygène 10 et dans le canal d'aspiration correspondant 13 du four de fusion 6, est séparée dans les dispositifs d'épuration de gaz 14- et ramenée à la trémie de chargement 1. Le laitier consommé est également prélevé en continu dans le four à soufflage d'oxygène 10. Dans 20 certaines conditions, il peut être avantageux, pour le déroulement en continu du procédé, de diviser le four de fusion 6 ainsi que l'unité d'affinage au moyen de cloisons ou de chicanes placées transversalement à la direction d'écoulement de la masse fondue » 25 Pour calmer ainsi qu'allier l'acier liquide, on raccorde avantageusement à l'unité d'affinage un avant-creuset d'alliage 16 relié à un générateur de vide 15» A partir du four à soufflage d'oxygène 10, l'acier liquide arrive par tua conduit d'aspiration 17, sous forme de fines gouttelettes, dans l'avant-30 cïeuset d'alliage 16 et se répartit sur la surface du bain de ce dernier. Les constituants d'alliage fondus dans un four de ferro-alliage et ajoutés en continu sont dosés sur la base de valeurs de qualité de l'acier mesurées en continu, par exemple, par analyse spectrale. Le bain de 1*avant-creuset d'alliage 35 16 est divisé, au moyen d'une cloison horizontale 19, en une zone de mélange supérieure et une zone de calmage inférieure-Un jet d'azote soufflé par la lance 20 assure le brassage» L'acier terminé liquide est introduit dans la lingotière d'une unité de coulée continue 21 et est mis en oeuvre ultérieu 72 11487 6 2132330 rement sur des trains de laminage continus- Il est prévu, en premier lieu, d'utiliser en tant que gaz réducteur un gaz de dissociation obtenu, à partir de gaz naturel et de gaz brûlés du four, dans un conduit de dissociation 35 5 qui est placé à l'intérieur du dispositif chauffé où il s'enroule autour de la zone de transport 2. Les gaz brûlés du four, constitués principalement par du gaz carbonique, sont ainsi en partie recyclés et la chaleur emmagasinée dans ces gaz est rendue directement utilisable par le processus. La formule glo-10 baie représentée ci-dessous donne une idée générale du processus se déroulant ainsi : 4Fe2°3 + -5CH4 + 3c°2 >8 Fe + 3C02 + (3C02+6H20) gaz ^ :—: ^ brûlés Par conséquent, théoriquement la moitié du gaz carbonique évacué est remise en circuit» Ces valeurs ne peuvent évidemment 15 pas être obtenues sur le plan pratique puisqu'il faut procéder avec un excédent de gaz réducteur» Les gaz brûlés contiennent des quantités plus ou moins importantes d'oxyde de carbone, ce qui peut être mis à profit d'une manière très satisfaisante dans une installation de combustion, par exemple pour produire de la 20 vapeur, du fait qu'il s'agit d'un dégagement continu de ces gaz» Une autre partie, résiduelle, des gaz brûlés provenant du four est nécessaire au chauffage du dispositif chauffé. Du gaz réducteur composé d'environ 85% d'oxyde de carbone et de 15 % d'hydrogène et qui présente un haut degré de pureté 25 se produit en outre dans le four à carbure de calcium 8 en quantité suffisante pour qu'il soit en tous cas rentable de l'amener directement à la zone de transport 2, comme représenté par le conduit 23. Les gaz brûlés du four sortant du dispositif chauffé sont amenés au four à chaux 25 par le conduit 24. 30 II est particulièrement avantageux que le procédé soit mis en oeuvre en association avec un réacteur nucléaire. Dans ce cas, le gaz réducteur peut être obtenu à partir de charbon, de pétrole ou de gaz naturel dans tin conduit de dissociation 27 incorporé dans le réacteur 26. Le conduit de dissociation monté 35 dans le dispositif chauffé peut ainsi être supprimé. En outre, pour faire démarrer le processus, de l'hélium gazeux chaud peut être introduit dans le dispositif chauffé jusqu'à obtention 72 11487 7 2132330 d'une quantité de gaz suffisante pour assumer cette fonction, auquel cas les gaz brûlés expulsent l'hélium du dispositif chauffé# Le fait que cela s'accompagne d'une légère perte d'hélium est sans importance. En outre, on peut prévoir, en 5 amont d'un générateur de vapeur 28, incorporé dans le réacteur 26, un surchauffeur de vapeur 29 qui fonctionne au moyen de gaz brûlés provenant du four. Outre la turbine 30 reliée à un générateur de courant, il est également placé dans le circuit de vapeur un dispositif 31 pour produire l'oxygène et l'azote né-10 cessaires» D'autre part, tin dispositif d'alimentation en hélium 32 est raccordé au réacteur 26. Au lieu d'utiliser le procédé en association avec un réacteur, d'autres installations groupées sont également possibles. Pour cela il est particulièrement avantageux que les gaz brû-15 lés se produisent en quantité essentiellement constante, ce qui présente tin grand avantage pour toute forme d'exploitation de ces gaz. Une quantité de vapeur non négligeable est en outre produite à partir de l'eau de refroidissement amenée au brûleur à plasma et qui peut également être amenée au circuit de vapeur» 20 La zone de transport 2 représentée à la fig» 1 est expli quée plus en détail ci-dessous à l'aide des fig. 2 et 3» En passant par la trémie de chargement 1, le minerai finement broyé, chauffé et séché entre, comme déjà décrit plus haut, dans le pulvérisateur 3- A partir de celui-ci, il est soumis, au moyen 25 de gaz réducteur, à un traitement cyclonique effectué dans la zone de transport 2 réalisé en l'occurrence sous forme de lit tourbillonnaire tubulaire 33 et est acheminé à cet état jusqu'à ce qu'il quitte, après avoir été enrichi, la .zone de transport 2 en passant par l'extrémité de sortie 34- raccordée au brûleur 30 à arc à plasma 4. Un conduit de dissociation 35 est disposé autour de la zone tourbillonnaire tubulaire 33 de façon à s'enrouler autour de celle-ci. Dans le conduit de dissociation 35, il est introduit en 36 du gaz naturel q^i, dans une buse annulaire 37, se mélange avec du gaz carbonique provenant des gaz 35 brûlés du four et amené par le conduit 38. Dans le conduit de dissociation 35, ce mélange est dissocié en un gaz réducteur constitué par de l'oxyde de carbone et de l'hydrogène. La chaleur supplémentaire encore nécessaire à cette dissociation ainsi qu'au chauffage de la zone de transport 2 est amenée, par une 72 11487 8 2132330 dérivation 39 du conduit 38, sous forme de gaz brûlés chauds du four, à la zone de transport 2 qui est en outre entourée d'une gaine isolante 40 pour maintenir la température. Les gaz brûlés chauffés provenant du four quittent la zone de 5 transport 2 en passant par le conduit 24 aboutissant au four à chaux 25. Un conduit 41 débouchant à une faible distance devant le pulvérisateur 3 sert à amener des gaz réducteurs à partir du four à carbure de calcium 8 ainsi qu'éventuellement à l'amenée des gaz réducteurs produits dans le conduit de dis-10 sociation 27 du réacteur 26. Le dispositif chauffé représenté à la fig. 4 est réalisé de manière analogue à celui de la fig. 2. A la place du lit tourbillonnaire tubulaire 35, on utilise ici un lit fluidifié 42 pour le transport du minerai pulvérulent- Le gaz réducteur 15 arrive, à travers les buses inclinées 44 disposées entre les barres 43, sur toute la longueur de transport dans la chambre de réaction proprement dite 45 du lit fluidifié 42 où il assure le transport ultérieur et l'enrichissement du minerai. Une forme de réalisation d'un dispositif chauffé, également muni 20 d'un lit fluidifié 42 et dans lequel le conduit de dissociation 35 se trouve supprimé, est représentée aux fig- 5 et 6. Entre la paroi extérieure du dispositif chauffé et le lit fluidifié 42, il est prévu un canal hélicoïdal 46 pour guider le gaz chaud entrant en 39'• En passant par le conduit 47, le 25 gaz réducteur produit dans ce cas de préférence dans le réacteur entre dans le lit fluidifié 42. Le brûleur à arc à plasma 4 suivant les fig. 7 à 9 présente dans sa zone de sortie des orifices de sortie 48 placés les uns en regard des autres pat paires et qui débouchent, par l'inter-30 médiaire de canaux d'amenée spiralés 50, dans le jet de plasma sortant de la cathode 49. Les canaux d'amenée spiralés 50 sont reliés à 1 *embouchure tangentielle 51 prévue pour le mélange de minerai pulvérulent et de gaz. Immédiatement au-dessus des orifices de sortie 48 se trouve 35 l'anode 52. Les gaz brûlés provenant du four, utilisés après épuration pour produire le jet de plasma, sont amenés à la chambre de combustion 53 par l'intermédiaire d'un canal 5^ à embouchure également tangentielle. Un espace creux 55 est parcouru par l'eau de refroidissement amenée et évacuée par les 72 11487 9 2132330 canaux 56. Le brûleur à arc à plasma 4' suivant la fig. 10 présente, à la place de la cathode pleine 49, une cathode tubulaire 57« L'anode 52' est placée à l'extrémité de sortie autour de l'orifice de sortie du jet de plasma. Le mélange de 5 minerai pulvérulent et de gaz est dirigé dans l'intérieur de la cathode tubulaire 57 et est aspiré dans le jet de plasma se formant à l'extrémité inférieure de cette dernière. Cette forme de réalisation du brûleur à arc à plasma est particulièrement avantageuse parce qu'il est construit'd'une manière par-10 ticulièrement simple et ne présente pas de rétrécissement susceptible de provoquer des engorgements. Les deux formes de réalisation du brûleur à arc à plasma peuvent être munies d'une alimentation où le courant triphasé est utilisé en association avec le courant continu. Dans ce cas, on opère, pour l'ionisa-15 tion du gaz, d'abord avec du courant continu et avec une puissance relativement élevée pour passer ensuite au régime à courant triphasé. Dans ce cas, la cathode et l'anode présentent trois pôles ou un multiple de trois pôles. Le brûleur à arc à plasma 4, 4' peut être réalisé en une matière céramique à haute 20 résistance à la chaleur. Une isolation spéciale de la cathode et de l'anode devient, dans ce cas, superflue. Le procédé suivant l'invention peut être facilement automatisé dans son ensemble et permet plusieurs variantes de fabrication de l'acier. 72 11487 10 2132330 REVENDICATIONS 1 - Procédé pour produire de l'acier à partir de minerais riches finement broyés, en utilisant un brûleur à plasma, caractérisé en ce que le minerai utilisé est pulvérisé, puis transporté au moyen de gaz réducteurs dans un dispositif chauffé 5 approprié, en étant en même temps enrichi, pour être ensuite introduit dans le jet de plasma d'un brûleur à plasma plongeant dans le bain d'un four de fusion et pour être éventuellement soumis en continu à un traitement final effectué dansai moins une unité d'affinage reliée au four de fusion. 10 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise en tant que gaz réducteur un gaz de dissociation produit dans un conduit de dissociation chauffé, à partir de charbon, de pétrole ou de gaz naturel, au moyen de la chaleur perdue d'un réacteur. 15 3 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise en tant que gaz réducteur un gaz de dissociation qui est obtenu dans un conduit de dissociation, à partir de gaz naturel et de gaz brûlés du four, au moyen de la chaleur amenée au dispositif chauffé. 20 4 - Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, carac térisé en ce que le dispositif chauffé emprunte la chaleur nécessaire à des gaz brûlés provenant du four. 5 - Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'un fondant approprié est ajouté en continu, à 25 l'état liquide, au bain du four de fusion et en ce que le laitier est évacué en continu. 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le fondant utilisé est du carbure de calcium à faible rendement en acétylène» 30 7 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une des revendications 1 à 6f caractérisé en ce qu'il est raccordé à un broyeur de minerai, directement ou indirectement, un pulvérisateur 3 fonctionnant au moyen de gaz réducteur et qui débouche dans le dispositif chauffé réalisé sous forme de 35 zone de transport 2, en ce que l'autre extrémité de la zone de transport 2 est reliée à la zone d'aspiration ou de soufflage d'un brûleur à arc à plasma 4-' qui est disposé en regard du bain du four de fusion et en ce qu'il est raccordé au four de 72 11487 2132330 fusion 6 une unité d*affinage 10 qui communique éventuellement avec un avant-creuset d'alliage 16. 8 - Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la zone de transport 2 est réalisée sous forme de lit 5 tourbillonnaire 33 • 9 - Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'un lit fluidifié 42 est utilisé comme zone de transport 2. 10 - Dispositif suivant l'une des revendications 7, 8 et 9, caractérisé en ce que la zone de transport 2-est entourée d'un 10 conduit de dissociation 35 pour produire le gaz réducteur. 11 - Dispositif suivant l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que le brûleur à arc à plasma 4», muni à l'extrémité de sortie d'une anode annulaire en line ou plusieurs parties 52, présente une cathode tubulaire 57 disposée centra- 15 lement en regard de l'anode et raccordée au canal d'amenée 34 pour le mélange de minerai pulvérulent et de gaz, ainsi qu'un canal d'amenée de gaz connu 54 destiné à amener des gaz brûlés épurés. 12 - Dispositif suivant l'une des revendications 7 à 10, 20 caractérisé en ce que le brûleur à arc à plasma 4 muni d'un canal connu 54- pour l'amenée de gaz brûlés épurés présente, dans sa zone de sortie, des canaux d'amenée spiralés 50 présentant des orifices de sortie 48 pour le mélange de minerai pulvérulent et de gaz qui sont placés les uns en regard des autres 25 par paires et débouchent dans le jet de plasma» 15 - Dispositif suivant l'une des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que le four de fusion 6 et l'unité d'affinage 10 sont reliés entre eux dans la zone du fond-par au moins un canal 11 ou analogue. 30 14 - Dispositif suivant l'une des revendications 7 à 13, caractérisé en ce que le four de fusion 6 présente, au niveau de la surface du bain, au moins une fermeture à cuvette de débordement 9 pour le déchargement continu de laitier.