Brevet FR2181558A1 — publié le 19731207

la présente invention concerne un procédé de réduction directe des minerais, et plus particulièrement des minerais de fer en vue de la production de produits solides désoxydés appelés communément "fer éponge". Ltinvention concerne également 11 installation nécessaire à la mise en oeuvre du procédé. La réduction directe des minerais de fer (appelée aussi pré-réduction) est une opération qui, dans son principe, consiste à enlever tout ou partie de l'oxygène lié au métal en utilisant des procédés autres que le haut fourneau. les produits obtenus sont, soit du métal liquide (fonte ou acier), soit des produits solides désignés par : "fer éponge", ou éponges de fer"; ou produits pré-réduits c'est-à-dire, selon leur forme : "minerais pré-réduits", "poudres de fer", "boulettes ou briquettes pré-réduites", ou autres0 la réduction directe met en oeuvre a) des produits ferrifères oxydés tels que minerais fins ou calibrés, concentrés d'enrichissement, pellets, poussières de convertisseurs, battitures de laminoirs ou autres, b) des produits réducteurs tels que charbon, coke, hydrogène, oxyde de carbone, hydrocarbures liquides ou gazeux, etc c) un apport thermique sous forme d'énergie électrique ou de combustibles drivers. La rentabilité d'un procédé de réduction directe est dsau- tant meilleure que, en particulier - le produit ferrifère de départ est moins cher, - la consommation spécifique de réducteur et d'énergie est moindre, - la production unitaire d'une installation industrielle est plus grande, La production des procédés de réduction directe existants est généralement limitée par des caractéristiques dimensionnelles ou opérationnelles des appareils où s'effectue la réduction des minerais, à savoir : soles pour les procédés en lits fluidisés, réacteurs pour les procédés en lit fixe, cuves pour les procédés continus en contre courant, tambours tournants pour les procédés de réduction par les solides ou les gaz, Quand on veut augmenter la production, on est donc amené à multiplier les appareils, ce oui n'est favorable ni pour les investissements ni pour les coûts de production (pertes thermiques, entretien et personnel plus importVnts)ç L'invention remédie à ces inconvénients en permettant une importante augmentation de la production unitaire par extrapolation des expériences acquises dans la construction et l'exploitation des grilles (ou channes) continues d'agglomération et de pelletisation de grandes dimensions. le procédé objet de l'invention s'applique à la réduction de minerais pelletisés par cuisson sur grille (ou chaîne continue). Selon l'invention, à la sortie de la zone de cuisson et avant refroidissement, on fait traverser la couche de minerais pelletisés et chauds par au moins un courant d'hydrogène sec à une température de 600 à 12000C, les produits étant ensuite refroidis en atmosphère non oxydante. Selon une forme préférentielle de l'invention, le procédé consiste à faire traverser la couche de minerais pelletisés et chauds successivement par plusieurs courants gazeux circulant en boucle fermée avec, après traversée du minerai, condensation de l'eau formée, apport d'hydrogène complémentaire et réchauffage avant nouveau passage à travers le minerai. L'invention va maintenant être décrite avec plus de détails en se référant à un mode de réalisation particulier donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés La figure 1 montre la disposition de principe d'une installation de réduction directe sur grille mobile circulaire, suivant le procédé objet de l'invention. La figure 2 donne la disposition de principe du circuit du courant gazeux d'hydrogène. les figures 3, 4 et 5 donnent un exemple de réalisation des chariots constituant la channe, de leur mode de déchargement et de l'étanchéité latérale dans les zones de réduction; la figure 3 est une vue en coupe de la chaine dans une zone de réduction ; la figure 4 est une vue de dessus de la chaine selon IV-IV de la figure 3 ; la figure 5 est une représentation schématique de la position de basculement d'un chariot de la chaine. En se reportant à la figure i, l'installation comporte une grille mobile horizontale et circulaire 1 constituée d'une succession de chariots jointifs et indépendants. En début du cycle opératoire, les chariots reçoivent en 2 sur leurs barreaux de grille de fond et le long de leurs flancs verticaux une couche de protection constituée de produits inertes comme des boulets d'alumine ou tout autre produit calibré non réactif et non fragile. la partie du circuit qui précède l'arrivée 3 des matières ferrifères sur la channe est du type connu, à savoir : stockage, nomogénéisation et mélange des produits, reprise et broyage à la maille requise, bo-lletage "à vert". L'épaisseur des produits oxydés sur la grille et la couche de protection varie selon leur nature. île pourra être plus importante si l'on charge des boulettes déjà cuites plutôt que des boulettes "vertes" dont la résistance à l'é- crasement limite le plus souvent l'épaisseur de couche aux environs de 300 mm, En passant dans la zone 4 les produits oxydés y subissent un présèchage par un flux ascendant de fumées chaudes provenant de la zone principale de cuisson 6, soit d'une chambre de combustion indépendante 104. Dans la zone 5 le séchage se termine dans un flux descendant de fumées chaudes provenant de la combustion, dans la hotte supérieure, de gaz ou fuel-oil et d'air éventuellement préchauffé par récupération sur le circuit de refroidissement des produits pré-réduits. En continuant son déplacement, la grille mobile amène les produits oxydés préchauffés dans la zone de cuisson 6. là ils sont soumis à l'action de fumées oxydantes pouvant, selon les cas, atteindre 13500C et circulant de haut en bas, Ces fumées sont obtenues dans la hotte capotant cette zone en brûlant du gaz ou du fuel-oil avec de l'air chaud provenant, par exemple, de récupération sur le circuit de refroidissement des produits0 Une zone neutre 7 sépare la zone de cuisson oxydante 6 de la première zone de réduction 8, de façon à éviter tout passage de gaz oxydant dans le gaz réducteur et inversement. Les produits ferrifères chauds traversent ensuite successivement les diverses zones de réduction, où la grille mobile circule entre des hottes supérieures et inférieures soigneusement fermées et revêtues de garnissages réfractaires et isolants appropriés. tes installations peuvent avoir un nombre différent de zones de réduction selon la nature du minerai, le degré de réduction final souhaité et la production unitaire envisagée. La figure 1 représente une installation à 3 zones 8, 9 et 10. Dans chacune de ces zones, les matières sont au contact de gaz chauds circulant de haut en bas, essentiellement composés d'hydrogène à une température située entre @00 et 1200 , les autres constituants é@ant de l@ vapeur d'eau générée "i@ sit@" par la réduction des oxydes et, éventuellement de faibles quantités d'autres gaz comme de l'azote, du méthane, du gaz carbonique ou de l'oxyde de carbone. Pour maintenir le potentiel réducteur du gaz à un niveau compatible avec une désoxydation rapide des produits ferrifères le gaz usé sortant d'une zone est refroidi, l'eau de réduction condensée et le gaz sec réchauffé avant recyclage au-dessus de la même zone, De telles unités de traitement des gaz 108, 109 ou 110 appelées "blocs de conditionnement" seront plus complètement décrites ci-dessous à propos de la figure 2. L'appoint d'hydrogène neuf est fait en continu à partir d'une centrale de production 19 de ce gaz. A titre d'exemple le gaz sortant de la zone 8 est traité dans le bloc 108 puis renvoyé chaud sur la même zone 8. I1 en est de même pour les zones 9 et 10 et les blocs 109 et 110. les produits pré-réduits et chauds sortant de la dernière zone de réduction 10 traversent une seconde zone neutre 11 semblable à la zone 7 avant de pénétrer dans la zone de refroidissement 12 où ils sont ramenés à la température ambiante par circulation d'un gaz approprié circulant de haut en bas, et refroidi luimême dans un échangeur 112 Le gaz de refroidissement peut être de lRazote, ou tout autre gaz neutre.L'emploi de gaz naturel, de gaz carbonique peut être envisagé dans certaines conditions. La zone de refroidissement représentée par la figure 1 est unique et fonctionne en circuit fermé. En pratique il peut être utile d'avoir plusieurs zones travaillant en parallèle, éventuellement avec des gaz différents et séparées par des zones neutres. En fin de cycle opératoire, on trouve une zone neutre spéciale 13 ; puis, par basculement des chariots en 14, les produits et la couche de protection tombent sur un démotteur 15 destiné à rompre d'éventuels collages entre boulettes pré-réduites. Les produits sont ensuite acheminés vers une unité de triage 16 où s'effec- tuent d'-une part la séparation des éponges et de la couche de protection, d'autre part le classement granulométrique des éponges. a séparation des -tonges et de la couche de protection eu être réalisée soit par criblage, soit rar séparation magnétique, soit par une combinaison de deux systèmes. Les produits ire-tes ce la couche de protection sont ensuite recyclés en 2. Les éponges subissent un classement granulométrique ; les parties de dimensions convenables vont vers les trémies d'expé@ition 17, les parties les plus fines pouvant être com@actées par brir@eta- ge en 18. Une variante du procédé consiste à régler le refroidissement dans la zone 12 de façon à ce que les éponges en sortent à une température entre 600 et 300 environ, ctest-à-dire dans une zone thermique où le fer est magnétique et où les grains de métal réduit peuvent être aisément soudés entre eux par compactage sous pression. Après criblage, les boulettes pré-réduites et chaudes sont donc compactées mécaniquement, ce qui améliore sensiblement leur résistance mécanique et leur tenue contre une réoxydation ultérieure. Dans le même temps, les fines chaudes sont briquetées à chaud dans une ligne indépendante. Après ces opérations qui ont lieu en atmosphère neutre, les boulettes compactées, et les briquettes achèvent leur refroidissement en atmosphère contrôlée, en cuve par exemple. En se référant maintenant à la figure 2, on notera que l'hydrogène sec et chaud arrive dans la hotte supérieure 21 puis traverse la couche 22 des produits à réduire. I1 se charge de vapeur d'eau et passe dans la hotte inférieure 23, où il subit un ensemble de changements de direction permettant le dépôt de particules éventuellement entraînées, I1 entre alors dans l'ensemble d'échange de température 24,où il cède une partie importante de sa chaleur sensible au profit de l'hydrogène froid et pratiquement sec venant du ventilateur 27G il est ensuite traité dans un ensemble de réfrigération et de dessication 25 où la vapeur dseau est condensée et s'évacue en 26. L'appoint dthydrogène neuf nécessaire est fait en continu par la vanne 28, puis le gaz est repris par le ventilateur 27 qui assure la circulation dans le circuit avec le débit et la pression désirés, la pression étant, en tous les points du circuit, supérieure à la pression atmosphérique. le gaz est réchauffé dans ensemble d'échange de température 24. Enfin, un surchauffeur 30 porte l'hydrogène sortant de 24 à la température nécessaire à la réduction en 22. Le surchauffeur 30 sert aussi à régler la température de réduction et à chauffer le gaz en période de démarrage et de remise en-route des installations. La vanne 29 assure l'arrivée du gaz neutre nécessaire aux opérations de purge du circuit lors des arrêts et des mises en route. Des clapets de purge sont prévus en différents points du réseau de gaz, qui assurent l'évacuation de mélanges de gaz en régime transitoire, et dont certains sont réglés de façon à opérer en continu les déconcentrations nécessaires au maintien au niveau souhaité des teneurs de lthydrogène de réduction en gaz inertes ou autres. le choix de la technique d'échanges thermiques entre gaz sortant et entrant dans une zone de réduction, de même que le choix de la technique de séchage du mélange hydrogène-vapeur, et de surchauffage du gaz chaud et sec dépendent essentiellement des conditions locales, en particulier du prix de l'énergie ainsi que des disponibilités en eau. les figures 3, 4 et 5 représentent un mode de réalisation dtun des chariots à ossature refroidie constituant la grille (ou chaîne) mobile circulaire. le corps du chariot est composé d'un longeron extérieur 31 et d'un longeron intérieur 32 en fonte spéciale ou en acier,qui portent les galets 33, 34, 35 et 36 de roulement sur les 4 rails circulaires et concentriques 37, 38, 39 et 40. Sur ces longerons sont boulonnés le châssis porte-grille 41, les flancs latéraux du chariot 42, 43, et les lames d'étanchéité inférieures 44, 45. le châssis porte-grille 41 est un ensemble chaudronné refroidi intérieurement par circulation d'eau, et pouvant être recouvert extérieurement d'une couche inerte limitant les contacts métal/ gaz. L'eau arrive de façon continue du centre géométrique de l'ensemble de la chaine par une tuyauterie 46 qui traverse le longeron intérieur 32 en-dessus de l'axe du galet 34, et ressort librement par tuyauterie 47 située en-dessous du galet 35. les faces supérieure s du châssis porte-grille supportent les chapeaux porte-barreaux 48 sur lesquels sont fixés les barreaux de grille proprement dits 49. Les flancs latéraux 42, 43 sont boulonnés sur les longerons 31, 32. Ils sont recourbés de façon à venir plonger dans les gardes d'eau supérieures 50, 51 accrochées à la hotte supérieure 62. De mime, les lames d'étanchéité inférieures 44, 45 sont boulonnées sur les longerons 32, 31 et plongent dans les gardes d'eau inférieures 63, 64 solidaires de la hotte inférieure 65. les galets 33, 34, 35, 36 roulent sur des rails circulaires concentriques 37, 38, 39, 40. Dans la zone de basculement (repère 14 de la figure 1- ou selon la figure 5), les rails extr8mes 37 et 38 restent horizontaux cependant que les rails intérails 39 et 40 s'incurvent vers le bas, permettant ainsi, moyennant un écartement convenable entre chariots successifs, un vidage de la charge des chariots vers l'arrière, puis le renvoi du chariot vers un nouveau cycle opératoire. Le procédé de réduction qui vient d'être décrit présente les caractéristiques suivantes : - il erret de partir ce nierais fins ou de concentrés beaucoup moins chers que les virerais calibrés ou les boulettes oxydées du commerce, - il peut, dans certains cas, utiliser aussi des minerais calibrés ou des boulettes oxydées. - I1 récupère la crawleur sensible des boulettes après cuisson, tout en évitant leur manipulation à une température élevée. - I1 opère la réduction avec de l'hydrogène, c'est-à-dire avec un gaz que l'on sait produire économiquement en grandes auantités, qui assure des vitesses de réduction élevées et qui permet une élimination simple du sous-produit de la réduction, en l'occuren ce principalement de la vapeur d'eau, - il opère la réduction en lit fixe, c'est-à-dire sans mouvement relatif des boulettes au cours de la réduction, - le séchage et le récnauffage continus du gaz traversant chaque zone permettent de travailler dans des conditions très favorables quant au potentiel réducteur des gaz, donc quant à la cinétique et au degré de réduction, - la réduction se fait à basse pression, la perte de charge à tra vers la couche des matières restant à peu près la même tout au long du cycle opératoire (300 à 500 mm de colonne d'eau environ). - En jouant sur le nombre de blocs de conditionnement lors de la conception, puis sur la vitesse de la grille, sur les débits et les températures des gaz en circulation, on peut obtenir une gam me de produits pouvant aller de produits très fortement pré-ré duits pour les aciéries électriaues, les fours à induction et les cubilots, aux produits moins pré-réduits, pour les hauts fourneaux, les aciéries à l'oxugène et les fours électriques de réduction. - On peut rssi mieux contrôler les phénomènes de réoxydation des produits précédents puisque celle-ci est notamment fonction de la température de réduction et qu'on peut, éventuellement, procéder à un comp@ctage des éponges pour en diminuer la sorosité. @u point de vue conception générale, le procéde de réduction opjet du présent brevet diffère d'une pelletisation conventionnelle @ur grille circulaire par : - une conception différente @es c@ariots e@ des hottes pour tenir compte des exigences d'étanchéité et pour supporter des contraintes, thermiques et chimiques liées aux conditions opératoires, - l'adjonction d'une unité de production d'hydrogène de conception d'ailleurs connue, avec récupération éventuelle de gaz carbonique pour usage dans l'unité de réduction ou ailleurs, - la mise en oeuvre de blocs de conditionnement de l';;aydrogène trai tant en continu le gaz de réduction circulant en circuit formé sur la zone de réduction à laquelle le bloc est affecté, - éventuellement une unité de classification et de compactage des produits pré-réduits. Pour assurer le contrôle et la sécurité de l'exploitation, la pression de l'hydrogène dans les hottes et les réseaux est toujours contrôlée et réglée de façon à être supérieure à celle de l'ambiance, les balayages des réseaux de gaz réducteur sont faits par injection de gaz neutre selon des séquences prédéterminées et télécommandées pouvant etre asservis à l'analyse des gaz sortant des purges, A l'entrée et à la sortie de chaque zone de réduction,les gaz sont analysés en continu, les teneurs en vapeur d'eau renseignant l'opérateur sur l'efficacité du séchage et sur l'évolution de la réduction. Les teneurs en oxygène, azote et gaz inertes contrôlent les entrées éventuelles d'air et de gaz des zones neutres dans les réseaux de réduction. L'installation dispose d'un stockage de gaz neutre permettant un balayage très rapide d'un ou de plusieurs circuits de réduction lesquels sont d'ailleurs indépendants entre eux d'après la conception même des installations. Les réseaux sont munis de clapets d'explosion convenables, la chaîne est du type "out-door" c'està-dire installée à l'air libre, de même que les blocs de conditionnement. Bien entendu l'invention n'est pas strictement limitée au seul mode de réalisation docrit à titre d'exemple, mais elle couvre aussi d'autres variantes qui ne différeraient que par des détails C'est ainsi que l'on pourra faire varier le nombre de zones de réduction, ou encore opérer avec cire chaise rectiliçne, ou encore pr- voir un compactage des produits dans le bu de réduire leur porosité et les risques de réoxydation. REVENDICATIONS 1.- Procédé de réduction de minerais pelletisés et cuits sur grille mobile continue dans lequel, à la sortie de la zone de cuisson oxylante et avant refroidissement, on fait traverser la couche de minerais pelletisés et chauds par au moins un courant gazeux d'hydrogène à une température de 600 à 1.200 C. caractérisé par le fait qu'on fait traverser la couche de minerais pelletisés et chauds@successivement par plusieurs courants gezeuk d'hydrogène indépendants dans des zones adjacentes successives séparées, les produits étant ensuite refroidis en atmosphère non oxydante, chaque courant gazeux circulant en boucle fermée avec, après traversée du minerai, condensation de l'eau formée, apport d'hydrogène complé- mentaire et réchauffage avant nouveau passage å travers e minerai. 2.-Procédé de réduction selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on réserve une zone neutre entre la zone de cuisson et la première zone de réduction, une zone neutre entre la dernière zone de réduction et la zone de refroidissement, et une zone neutre entre la zone de refroidissement et la zone de déchar- gement des produits. 3.- Procédé -de réduction selon l'une quelcon@ue des revendications I ou 2, caractérisé par le fait que le refroidissement en atmosphère non oxydante est directement effectué jusqu'à une température voisine de la température ambiante. 4.- Procédé réduction selon l'une quelconque des revendications I ou 2, caractérisé par le fait que le refroidissement en atmosphère non oxydante est d'abord effectué jusqu'à une température compriseentre 60G et 300 C, les produits étant ensuite classés granulométriquement et compactés à cette température en atmosphère neutre, vant d'être finalement refroidis jusqu'à une température ambiante en atmosphère contrôlée. 5.- Installation de réduction de minerais pelletisés et chauds pour la mise en oeuvre du procédé selon revendication 1, utilisant une grille ou chaîne continue formée par une série de chariots adj@cents jointifs, comportant un poste de chargement du minerai pelletisé cru, un poste de cuisson et un poste d décharge- ment, caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre au moins un poste de réduction dans chacun desquels la grille circule entre une hotte supérieure et une hotte i@f@rieure étanches, la hotte supérieur@ comportant l'arrivée du courant gazeux d'hydrogène sec et chaud, la hotte inférieure comportant la sortie du courant gazeux après traversée de la couche de minerai, et par le fait qu'elle comprend, entre la dernière zone d réduction et la zone de déchar- gement des produits au moins une zone de refroidissement en atmosphère contrôlée dans laquelle le gaz de refroidissement circule entre une hotte supérieure et une hotte inférieure étanches. 6.- Installation de réduction selon revendication 5, caractérisée par le fait qu'à chaque poste de réduction est associé un bloc de conditionnement du courant gezeux, ce bloc comportant essentiellement un ensemble d'échange de température entre les gaz sortant de la hotte inférieure et les gaz allant au surchauffeur, un condenseur de l'eau contenue dans les gaz ainsi refroidis, une addition d'hydrogène neuf, un ventilateur de circulation du courant gazeux, un poste de surchauffe du gaz avant entrée dans la hotte supérieure.