Brevet FR2143852A1 — publié le 19730209

La présente invention a trait à un procédé d'élaboration directe d'acier selon lequel des fines de minerai sont réduites indirectement et l'éponge de fer est mise en fusion. L'invention porte aussi sur un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé. De nombreux essais ont été entrepris en vue de réduire indirectement un minerai de fer pulvérulent ou granuleux, en phase gazeuse à teneur en monoxyde de carbone, sans passer par un haut fourneau. Ces procédés présentent un grand intérêt notamment là où l'on ne dispose pas, en quantité ou qualité suffisante, de charbon cokéfiant, indispensable pour l'élaboration en haut fourneau. Dans un procédé connu d'élaboration directe d'acier, le minerai de fer subit, en mélange avec du charbon sur un transporteur de frittage, une réduction préalable, ou préréduction, et la matière frittez encore chaude est déversée dans un convertisseur dans lequel la réduction est achevée par soufflage d'oxygène puis la matière en fusion est finalement affinée pour produire l'acier. A ce procédé est inhérent l'inconvénient selon lequel la réduction préalable effectuée sur le transporteur de frittage n'a lieu que lentement parce que la surface disponible pour la réaction est relativement petite. En outre, durant le transport entre le transporteur de frittage et le convertisseur il peut se produire, notamment à cause du stockage inévitnle, une réoxydation du fer déjà réduit. De plus, les gaz produits lors de l'affinage et qui contiennent non seulement une quantité de chaleur considérable, mais aussi une proportion notable de monoxyde de carbone et d'oxyde ferreux, sont perdus. Enfin, l'économie de ce procédé connu est fortement compromise par le fait qu'une partie considérable de la réduction s'effectue dans le convertisseur même. On contact en outre un procédé de réduction directe de minerai de fer selon lequel on introduit dans un four à cuve, par le haut, du minerai pulvérulent froid qui est pris en charge par les gaz ascendants qui sortent de ce four et avec lesquels il est introduit tangentiellement dans un cyclone de préréduction. Dans cet appareil, le minerai se sépare des gaz de four sous l'effet de la force centrifuge et ces gaz sont alors dirigés dans un échangeur thermique pour y préchauffer l'air comburant pour le four à cuve, puis ils sont finalement conduits à un épurateur. Le minerai préréduit qui se rassemble à la base du cyclone est nettoyé avec la poussière de minerai de l'épuration des gaz, de la poussière de charbon y est mélangé et il est insufflé avec de l'oxygène dans le four à cuve par l'intermédiaire de tuyères dirigées radialement. Les matières insufflées réagissent entre elles dans l'espace libre en amont des tuyères, formant du fer liquide et une scorie liquide, qui tous deux s'égouttent à travers un lit de coke disposé dans le four à cuve. Dans ce lit la scorie doit achever de réagir et le fer doit se désoxyder et se charger en carbone, pour finalement se rassembler avec la scorie à la base du four à cuve. Un inconvénient de ce procédé est cependant que les gaz issus de ce four contiennent une quantité considérable d'anhydride carbonique qui fait défaut pour la réduction préalable dans le cyclone et peut uniquement céder sa chaleur encore assez élevée dans l'échangeur thermique, tandis que d'autre part le monoxyde de carbone de ces gaz n'est pas, tout comme la chaleur sensible de ces gaz, totalement utilisé à cause du temps de contact relativement court avec le minerai.L'utilisation de la chaleur sensible de ces gaz exige en outre, après que ces derniers aient été dans le cyclone séparés des fines de minerai préréduites, un échangeur thermique qui permet bien il est vrai d'utiliser cette chaleur, mais qui est soumis, de son côté, à l'attaque corrosive de ces gaz. A cela s'ajoute le fait que la température de gaz du four est supérieure à 1000oc, de sorte qu'il peut arriver que les fines de minerai et les particules d'ingrédients éventuels forment un gâteau dans la partie supérieure du four à cuve, dans le conduit des gaz ainsi que dans le cyclone de préréduction. Un refroidissement efficace des gaz issus du four à cuve n'est cependant pas possible parce qu'ils sont fortement chargés en impuretés et en poussières de lit de fusion.En outre, un refroidissement retirerait au procédé des calories précieuses, ce qui nuirait encore plus à son économie. Enfin, les réactions dans le four à cuve sont extrêmement lentes, de sorte que la mise en oeuvre de ce procédé est limitée à la fabrication de fonte brute. Le problème que veut résoudre l'invention est de concevoir un procédé par lequel un minerai de fer pulvérulent ou granuleux peut être transformé directement en acier en utilisant dans la mesure la plus grande les produits de réaction formés aux différents stades du procédé, notamment les gaz, avec une faible consom mation dt combustibl'et en utilisant d façon optimal la chaleur sensible des gaz 'évacués. Poür résoudre ce problèmc l'invention prévoit essentiellement, dans le cadre du procédé mentionné en préambule, d'une part que les fines de minerai, y compris d'éventuels ingrédients, en suspension dans le gaz de sortie d'au moins un cyclone de préréduction sont introduites tangentiellement dans--un cyclone de préchauffage et, après séparation du gaz de sortie à la base de ce cyclone de préchauffage, sont introduites, en suspension dans le gaz de sortie d'un cyclone de réduction finale, tangentiellement dans le cyclone de préréduction, la sortie solide de ce dernier étant introduite, en suspension dans un gaz de sortie composé de monoxyde de carbone provenant d'une unité de fusion et d'affinage, tangentiellement dans le cyclone de réduction finale, d'autre part que la sortie solide du cyclone de réduction finale est mise en fusion dans l'unité de fusion et d'affinage, avec production si- multanée du gaz de réduction par combustion incomplète de carbone en excédent,cette mise en fusion étant suivie d'un affinage au moyen d'oxygène. De préférence les fines de minerai sont préchauffées dans plusieurs cyclones reliés en série, afin d'utiliser dans la plus grande mesure possible la chaleur des gaz de sortie et, en même temps, de diminuer la tenez en poussières de ces gaz en retenant celles-ci dans l'appareillage. De façon analogue la réduction peut être effectuée dans plusieurs cyclones disposés en série, afin d'alimenter l'unité de fusion et d'affinage avec une éponge de fer très largement réduite. Ceci peut être réalisé en prévoyant que le préchauffage soit effectué à contre courant et la réduction définitive tout d'abord dans le sens du courant puis à contre-courant. La température de réaction peut, dans chaque cas, être réglée par insufflation d'air ou d'oxygène pur dans le système pour assurer la postcombustion du monoxyde de carbone. Le procédé selon l'invention peut notamment être mis en oeuvre avec de la magnétite (Fe3O4) qui, au stade du préchauffage, subit un grillage oxydant et est transformée en hématite (Fe203) dont la réduction est considérablement plus facile. Avec une magnétite à forte teneur en soufre une diminution considérable de cette teneur en résulte. Par ailleurs, durant chacune des phases du procédé selon l'invention on peut introduire des gaz réducteurs d'appoint, par exemple des gaz de-craquage du méthane ou d'autres gaz hydrocarbonés, ceci afin d'agir sur les équilibres de -la réduction. Etant donné qu'avec le procédé selon l'invention l'unité de fusion et d'affinage fonctionne en même temps comme générateur du gaz réducteur composé de monoxyde de carbone et d'hydrogène et fournit ainsi la chaleur nécessaire pour effectuer la fusion et la réduction, la fusion de la sortie du cyclone d'achèvement de la réduction a lieu de préférence en présence de carbone, de sorte que de l'anhydride carbonique existant ou se formant se trouve aussitôt transformé en monoxyde de carbone. Des hydrocarbures gazeux et/ou liquides peuvent d'ailleurs être introduits dans l'unité de fusion et d'affinage. Durant l'affinage l'arrivée de carbone est interrompue et l'alimentation en éponge de fer provenant du cyclone de réduction finale n'est tout d'abord diminuée que progressivement pour refroidir le bain et mettre à profit, pour les réactions d'affinage, les restes de FeO dans l'éponge de fer.Mais finalement l'alimentation en éponge de fer est ramenée à zéro, de sorte que dans la phase finale l'affinage se fait exclusivement avec de l'oxygène. Les avantages propres au procédé selon l'invention résident dans le fait que l'acier est produit en une seule chaude à partir des fines de minerai et que le gaz produit lors de la fusion de l'éponge de fer et de affinage qui suit est utilisé en plusieurs phases pour opérer la réduction, la préréduction et le préchauffage de la matière mise en oeuvre. A cause de la faible vitesse de chute de la matière dans les cyclones. il en résulte de longs temps de contact pour les réactions entre solides et gaz. De cette manière, le pouvoir réducteur des gaz de sortie et leur chaleur chimique et sensible se trouveX leinement utilisée & de sorte que la consommation de combustible par tonne d'acier est, grâce au procédé selon l'invention, extrêmement faible.Grâce au réglage du rapport du carbone et de l'oxygène dans l'unité de fusion et d'af- finage on est certain que les gaz issus de cette unité ne contiennent, en dehors d'impuretés négligeables, que du monoxyde de carbone et dc l'hydrogène. Toute teneur résiduelle éventuelle en FeO de l'éponge de fer se trouve réduite directement dans cette unité de fusion et d'affinage. En outre, avec le procédé selon l'inventionp tout une série de problèmes de dépoussiérage se trouvent supprimés; en effet, seul le gaz issu du premier cyclone de préchauffage a besoin d'être dépoussiéré, alors que la poussière produite durant 1' affinage, notamment la désagréable fumée rousse, est retenue dans les cyclones et est réduite. Le procédé selon l'invention est exécuté dans un appareillage comprenant au moins un cyclone de préchauffage dont la partie supérieure est reliée, par l'intermédSire d'une conduite en Y, à une trémie d'alimentation et au conduit central d'évacuation des gaz d'un cyclone de préréduction dans la partie supérieure duquel débouche une conduite en Y dont l'une des branches conduit à la sortie du cyclone de préchauffage et dont l'autre branche est reliée à l'orifice central des gaz de sortie d'un cyclone de réduction finale dont la sortie débouche dans une unité de fusion et d'affinage, et dans le sommet duquel débouche une conduite en Y dont une branche est reliée à la base du cyclone de préréduction et dont l'autre branche se transforme en une hotte de gaz de sortie disposée au-dessus de l'unité de fusion et d'affinage et que traverse une double lance d'amenéc de combustible et d'oxygène, mobile verticalement et plongeant dans l'unité de fusion et d'affinage. De préférence, au moins un cyclone dans le sens du courant est disposé entre le cyclone de réduction finale et le cyclone de préréduction. Le procédé selon l'invention est expliqué plus en détail ci-aprèsAl'aide de disposirifs pour sa mise en oeuvre représentés au dessin, sur lequel - la figure I est une vue schématique d'un dispositif opérant selon le principe à contre-courant, pour élaborer directement de l'acier pendant la réduction indirecte de fines de minerai, et - la figure 2 représente un dispositif de mise en oeuvre du procédé mentionné ci-dessus, comportant des cyclones à contrecourant ou dans le sens du courant. Au-dessous de deux trémies 3,4 (fig.l) à fines de minerai et à ingrédients éventuels tels que de la castine est disposé un entonnoir d'alimentation 5 muni d'un dispositif doseur 6 raccordé à un tube de descente 7 d'où une dérivation 8 débouche tangentiellement dans le sommet d'un cyclone de préchauffage 9. Les gaz issus de ce cyclone sont évacués par une conduite 10 qui les conduit, éventuellement par l'intermédiaire d'une épuration de gaz non représentée, à une cheminée ou à une installation de broyage et de séchage du minerai. Dans la dérivation 8 débouche une conduite ll d'amenée d'air ou d'oxygène pour améliorer la teneur résiduelle en monoxyde de carbone n'entrant plus en ligne de compte à cause de la basse température, pour élever la chaleur sensible.Le tube de descente 7 est raccordé à la conduite centrale 12 de sortie des gaz d'un cyclone de préréduction 13 au sommet duquel débouche une conduite 14 reliée par une dérivation 15 à la sortie du cyclone de préchauffage 9 et, par une seconde dérivation 16, à l'orifice central 17 d'évacuation des gaz d'un cyclone de réduction finale 18. Au sommet de ce cyclone 18 débouche tangentiellement une conduite en Y 19 dont une branche 21 est reliée à la sortie inférieure du cyclone de préréduction 13 et dont l'autre branche 22 est reliée à une hotte 23 d'évacuation de gaz. Cette hotte se trouve audessus d'un convertisseur dans lequel plonge une double lance 25 qui peut être déplacée verticalement, ainsi qu'un tube de descente 26 raccordé à la sortie inférieure du cyclone 18 de réduction finale. Les cyclones, conduits et tubes divers sont en matériau métallique, éventuellement revêtu de céramique et peuvent, pour éviter la formation de dépôts, être équipés de vibreurs. Un refroidissement spécial par de l'air ou de l'eau n'est pas nécessaire, sauf éventuellement dans le cyclone réducteur final 18 et dans la hotte 23. Ce cyclone 18 peut: aussi être chauffé indirectement, par exemple par induction, afin par exemple de faire fondre des dépôts rapidement. Les fines de minerai, ayant une granulométrie de par exemple 50 à 100 rrcc passent avec les ingrédients des trémies 3 et 4 dans l'entonnoir d'alimentation 5 et, de celui-ci, dans le doseur 6 et dans le tube de descente 7 dans la partie inférieure duquel elles rencontrent le courant de gaz réducteur en ascension à vitesse élevée dans la conduite montante 12, ce gaz ayant une température d'environ 300 à 4000C. I1 se forme ainsi une suspension gazeuse de solides qui est introduite tangentiellement dans le cyclone de préréduction 9 par la conduite 8. De l'air ou de l'oxy- gène pur peut être insufflé par la tuyauterie 11 afin d'élever la température de préchauffage et en même temps de transformer complètement en anhydride carbonique le reste de monoxyde de carbone pour le rendre inoffensif. Dans le cyclone de préchauffage 9 les solides en suspension entrent tout d'abord, grâce à la turbulence en contact intime avec le gaz, ce qui est essentiel d'une part pour assurer un. bonne transmission calorifique ct outre part, si le gaz contient encourt un resté de monoxyde de carbone, pour produire une réaction rapide. Sous l'influence de la force centrifuge les particules solides se séparent du gaz, lequel quitte le cyclone 9 par une conduite centrale 10, à une température de 200 à 3500C environ, pour être conduit à une épuration ( non représentée) ou au séchage du minerai préalablement au broyage de celui-ci ou pendant son broyage, la température de ce gaz pouvant alors être ramenée à lsO0C environ. La matière à traiter qui se rassemble à la base du cyclone de préchauffage 9 parvient, par l'intermédiaire d'un sas 20, dans un tube de descente 15 à l'extrémité duquel elle rencontre le gaz issu du cyclone de réduction finale 18 et qui s'élève dans la conduite montante 16 à une température d'environ 10000 C. En suspension dans ce gaz, la matière à traiter pénètre alors tangentiellement dans le cyclone de préréduction 13, dans lequel les particules gazeuses et solides sont mises en turbulence et finalement séparées, le gaz pénétrant dans la conduite centrale montante 12 tandis que les particules solides tombent dans la conduite de descente 21, par l'intermédiaire d'un sas 20, à la rencontre des gaz s'élevant du convertisseur par la hotte 23.Ces particules sont mises en suspension dans ces gaz et parviennent alors tangentiellement dans la partie supérieure du cyclone de réduction finale 18 dans lequel, de manière analogue à ce qui se passe dans les autres cyclones 9 et 13, les deux phases sont mises en contact intime entre elles par turbulence, à des températures entre 800 à 12000C, puis sont finalement séparées l'une de l'autre. Les gaz quittent le cyclone de réduction finale 18 par la sortie centrale 17 et la conduite montante 16, tandis que l'éponge de fer, dont la réduction est terminée, parvient dans le convertisseur 24 à une température d'environ 10000C, en passant par le tube de descente 26. Dans le convertisseur 24 l'éponge de fer parvient finalement dans un bain de fusion de fer 29 après avoir traversé d'abord une couche de charbon 27 dans laquelle l'oxyde ferreux résiduel est réduit, puis une couche de scories 28. Pendant ce temps un mélange de carburant et d'oxygène est insufflé au moyen de la lance 25 dans le convertisseur où il brûle incomplètement en se transfor mant eri - monxyde de carbone. L'anhydride carbonique éventuel est réduit par le carbone qui se trouve en excédent, à cause de la température élevée du convertisseur, suivant la formule 2 C02 + C = 2 CO. De cette façon sont engendrés dans le convertisseur à la fois la chaleur de fusion et de réduction et le gaz réducteur pour effectuer la réduction indirecte des fines de minerai. Dès qu'une quantité de fer s'est rassemblée dans le convertisseur l'admission de charbon et/ou d'huile est interrompue, et la lance 25 n'insuffle plus que de l'oxygène. Cet oxygène affine le fer en acier de la façon habituelle, les impuretés qui accompagnent le fer passant dans les scories et le carbone brûlant pour former du monoxyde de carbone qui est capté par la hotte 23 ct est envoyé aux cyclones. Une trop forte élévation de température du bain de fusion dans le convertisseur est évitée par-le fait que durant la phase initiale de l'affinage on envoie encore dans le convertisseur une quantité d'éponge de fer allant diminuant. Ceci peut être réalisé en réduisant l'alimentation du système en minerai ou encore en dérivant une partie de l'éponge de fer obtenue dans le cyclone de réduction finale 18 et en l'envoyant par exemple dans une autre unité de fusion.Dans la phase finale de l'affinage on interrompt complètement l'arrivée d'éponge de fer et le bain est affiné jusqu'S ce que l'on obtienne l'analyse finale désirée. Après vidange du convertisur le cycle du procédé recommence. Il peut subsister dans le convertisseur une certaine quantité d'acier servant de bassin pour le début de la fusion de l'éponge de fer introduite. Durant la phase de mise en fusion le convertisseur peut également être chauffé de l'extérieur, ou bien on peut, par un léger affinage, c'est-à-dire une augmentation de l'apport en oxygène, produire la chaleur nécessaire pour assurer le début de la fusion. L'ensemble du système peut également être maintenu en surpression; il suffit pour cela de disposer des clapets de gaz de sortie dans la conduite 10 d'évacuation des gaz. En outre, la température de la réduction dans les cyclones peut être réglée à la valeur optimale par insufflation d'air ou d'oxygène pour le brûlage partiel du monoxyde de carbone. Le dispositif selon la fig.2 opère selon le même principe que celui selon la fig.l, dont il se distingue cependant par le fait que laslspension qui se forme en aval du cyclone de préréduction 13 est tout d'abord conduite, par les tuyauteries 19, à un cyclone 31 opérant dans le sens c'u courant et dans lequel une sé- paration des phases a lieu. Après avoir été brassée intensivement dans ce cyclone 31, la suspension traverse un tube de descente 32 pour pénétrer dans le cyclone de réduction finale. Bien entendu, d'autres cyclones dans le sens du courant peuvent être prévus à la suite du cyclone 31 lorsqu'il est nécessaire d'allonger le parcours le long duquel s'effectue la réduction. De même, d'autres cyclones de préchauffage pourraient être prévus en amont du cyclone de préchauffage, de sorte que ce n'est pas du minerai frais, mais du minerai préchauffé qui serait mis en suspension dans le gaz à la partie supérieure du tube montant 12. Le dispositif selon la fig.2 se distingue, malgré un allongement du parcours le long duquel s'effectue la réduction, par une hauteur d'installation relativement faible résultant de l'utilisation du cyclone dans le sens du courant. REVENDICATIONS 1.- Procédé d'élaboration directe d'acier selon lequel des fines de minerai sont réduites indirectement et éponge de fer est mise en fusion, ce procédé étant remarquable d'une part én.ce que les fines de minerai en suspension dans le gaz de sortie d'un cyclone de préréduction sont introduites tangentiellement dans un cyclone de préchauffage et, après séparation du gaz de sortie à la base d ce cyclone de préchauffage, sont introduites, en suspension dans le gaz de sortie d'un cyclone de réduction finale, tangentiellement dans le cyclone de préréduction, la sortie solide de ce dernier étant introduite, en suspension dans un gaz de sortie composé de monoxyde de carbone provenant d'une unité de fusion et d'affinage ge, tangentiellement dans le cyclone de réduction finale, d'autre part en ce que la sortie solide du cyclone de réduction finale est mise en fusion dans l'unité de fusion et d'affinage, avec production simultanée du gaz de réduction par combustion incomplète de carbone en excédent, cette mise en fusion étant suivie d'un affinage au moyen d'oxygène. 2.- Procédé selon ala revendication 1, remarquable en ce que les fines de minerai sont préchauffées dans plusieurs cyclones reliés en série. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, remarquable en ce que le minerai fin préchauffé subit sa réduction finale dans plusieurs cyclones reliés en série. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce que le préchauffage est effectué à contre-courant et la réduction définitive tout d'abord dans le sens du courant puis à contre-courant. 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce que le préchauffage et/ou la réduction a lieu avec addition d'air et/ou d'oxygène. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce que dans le cyclone de préchauffage de la magnétite subit un grillage oxydant. 7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce que la réduction est effectuée avec addition de gaz réducteurs d'appoint. 8.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable cn ce que durant la fusion onintroduit en permanence du carbone à reflux dans l'unité d'affinagc et de fusion, tandis que durant la réduction le courant d'éponge de fer est ramené à zéro. 9.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce qu'on opère l'affinage déjà durant la fusion. 10.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce que la réduction a lieu en surpression. 11.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce que le monoxyde de carbone du gaz de réduction est brûlé dans le cyclone de préréduction ou de préchauffage. 12.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce que des hydrocarbures sont introduits dans l'unité de fusion et d'affinage. 13.- Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, remarquable en ce qu'il comprend un cyclone de préchauffage dont la partie supérieure est reliée, par l'intermédiaire d'une conduite en Y, à une trémie d'alimentation et au conduit central d'évacuation des gaz d'un cyclone de préréduction dans la partie supérieure duquel débouche une conduite en Y dont l'une des branches conduit à la sortie du cyclone de préchauffage et dont l'autre branche est reliée à l'orifice des gaz de sortie d'un cyclone de réduction finale dont la sortie débouche, par l'intermédiaire d'un tube de descente, dans une unité de fusion et d'affinage, et dans le sommet duquel débouche une conduite en Y dont une branche est reliée, par l'intermédiaire d'ur tube de descente, à la base du cyclone de préréduction et dont l'autre branche se transforme en une hotte de gaz de sortie disposée au-dessus de l'unité de fusion et d'affinage, et cn ce qu'une double lance mobile verticalement plonge dans l'unité d'affinage et de fusion. 14.- Dispositif selon la revendication 13, remarquable en ce qu'au moins un cyclone dans le sens du courant est disposé entre le cyclone de réduction finale t le cyclone de préréduction. 15.- Dispositif selon la revendication 13 ou 14, remar quable en ce qu'au moins un autre cyclone cn contre-courant est installé en amont du cyclone de préchauffage. 16.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, remarquable en ce que les différents cyclones et/ou conduites sont munis d'un chauffage et/ou d'un refroidissement. 17.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 13 à 16, remarquable en ce que les différents cyclones et/où conduites sont munis de vibreurs.