Brevet FR2190922A1 — publié le 19740201

La présente invention concerne un procédé métallurgique et une installation d'élaboration de métal liquide avec un bas fourneau électrique dans lequel la réduction de la charge est réalisée conjointement par des agents carbonés solides et des hydrocarbures fluides ou gazeux. Il existe actuellement différentes solutions permettant d'é- laborer de la fonte par voie électrique. On contact tout d'abord les appareils appelés hauts-fourneaux électriques constitués d'un creuset avec électrodes surmonté d'une cuve. Dans le creuset, la réduction des oxydes de fer est réalisée par le carbone, à haute température. Cette réaction étant très endothermique, lténergie électrique assure les apports calorifiques indispensables. Dans la cuve, les gaz provenant du creuset, en grande partie de ltoxyde de carbone, stéva- cuent à contre-courant de la charge descendante. Mais leur quantité est insuffisante pour amener les produits, chargés froids au gueulard, à un niveau thermique permettant à la réduction indirecte d'atteindre un niveau intéressant dans la cuve. De ce fait, cette technique est tombée en désuétude. On connatt aussi les fours de réduction, appelés aussi bas-fourneaux électriques, dérivés du four Tysland-Hole à arc sub merdé. les oxydes de fer y sont sounis à la réduction directe par le carbone. Il n'y a pas de cuve à proprement parler et, dans leur conception classique, la réduction indirecte par les gaz sortant du creuset reste donc très limitée. Ces fours utilisent généralement des électrodes continues à auto-cuisson, communément désignées sous le nom d'électrodes S8derberg, obtenues par fusion et cuisson, dans une enveloppe extérieure consommable de tale, d'une pate carbonée chargée en morceaux dans la dite enveloppe. Dans un bas-fourneau, ia consommation d'énergie électrique à la tonne de métal est d'autant plus faible que les produitsferrifères chargés sont plus riches, plus réductibles, plus chauds et plus désoxydés*De ce fait, plusieurs techniques de préchauffage et de pré-réduction de la charge ont été explorées. En particulier, on a cherché à pré chauffer et à préréduire la charge en utilisant les gaz provenant du bas-fourneau lui-mdme, Une première technique est celle dont le principe est,par exemple, décrit dans le brevet américain 2.805.930, qui prévoit un four tournant à chauffage direct pour préchauffage et préréduction partielle avant chargement dans un bas-fourneau électrique.A cet effet, un mélange de minerai de fer retondant et de charbon est in troduit en continu dans le four tournant. Une partie importante de la chaleur nécessaire y est fournie par le gaz venant du bas-four veau, Une installation du même type est décrite dans les brevets anglais 343 954 et 375 298c Ces techniques avec four tournant présentent des inconvé nient En particulier, la conjonction des mouvements des matières dans le four tournant et des chargements intervenant dans la structure interne des produits ferriférés en cours de réduction, se traduit souvent par la production dgun pourcentage élevé de produits fins, disons inférieurs à 3 mm. Ces fines, difficiles à éliminer par criblage à chaud, limitent la perméabilité du bas-fourneau et provoquent parfois la formation de voutes gênantes et même dangereuses pour l'exploitation. De plus, dans le four tournant lui-même,ces fines peuvent donner naissance à des garnissages durs sur les parois, qui perturbent la bonne marche de l'appareil. Une deuxième technique est celle dont le principe est décrit dans le brevet français 1 058 716 qui, dans une de ses alternatives, associe un four de pré-traitement en cuve et un bas-fourneau électrique à électrode axiale, L'utilisation du gaz sortant du basfourneau est ici envisagée pour le préchauffage et la préréduction des matières.Le four à cuve comporte, à sa partie supérieure, une zone de chauffage où les gaz venant de sa partie inférieure sont brûlés par injection dXair. La partie inférieure du four à cuve re çoit les gaz du bas-fourneau électrique et est censée opérer une certaine préréduction des produits préchauffés dans le partie supérieure, En pratique, des installations de ce type permettent un certain pré- chauffage de la charge, mais la préréduction reste très faible en raison des niveaux de températures, des débits et de la nature des gaz mis en oeuvre, Une troisième technique est celle dont le principe est décrit dans le brevet français 1 226 532.Il y est envisagé de charger, dans un haut-fourneau électrique, un aggloméré très chaud, et d'augmenter le volume et le potentiel réducteur des gaz ascendants par injection d'hydrocarbures dans le creuset du fourneau0 le développement de ce procédé n'a pu être réalisé en raison des difficultés technologiques liées à l'injection des hydrocarbures dans l'axe des électrodes de graphite, à savoir la présence des nipples et la porosité du graphite vis-à-vis des gaz injectés, Conformément à l'invention, le procédé d'élaboration du métal liquide est essentiellement caractérisé par le fait qu'il com prend, en combinaison - le préchauffage, en phase oxydante, entre 750 et 13000 a, de la charge des produits ferriférés calibrés et criblés, et des fondants éventuellement nécessaires, - le mélange homogène de la charge préchauffée et d'un agent réducteur carboné, solide, calibré et froid, - l'introduction périodique de la charge globale ainsi formée dans au moins un four vertical étanche de prétraitement alimentant, par gravité et en continu, le bas-fourneau électrique, - la descente de la charge dans le dit four vertical, au contact de gaz chauds ascendants, d'abord réducteurs, puis neutres, - l'injection d'air dans la partie supérieure du four vertical de prétraitement, de façon à assurer la combustion neutre des gaz ayant opéré la préréduction dans sa partie inférieure, - l'injection d'hydrocarbures liquides ou gazeux dans l'axe des élso- trodes du bas-fourneau électrique, sous pression, et un peu audessus de leur extrémité inférieure, - ltévacuation et l'aspiration des gaz neutres sortant de la partie supérieure du four vertical de prétraitement, de telle sorte que la pression de gaz à la voute du bas-fourneau soit réglée à une valeur très proche d'une atmosphère absolue, Les injections peuvent utilement entre réalisées soit sous forme de méthane froid, soit sous forme de fuel-oil et d'oxygène. En utilisant comme produit ferriféré un aggloméré riche, basique, oxydé, chargé à plus de 8500 C, il est possible d'atteindre des consommations de l'ordre de 1500 kwh par tonne de fonte (avec 200 m3 de gaz naturel par tonne de fonte) et de l'ordre de 1000 kwh par tonne de fonte (avec 90 m3 d'oxygène et 220 kg de fuel par tonne de fonte). Dans le méme temps, il est en principe possible de ramener à 100 - 150 kg la consommation de coke par tonne de métal liquide. A titre de comparaison, les bas-fourneaux conventionnels chargés avec le mdme aggloméré froid, consommeraient environ 2000kwh et 400 kg de coke par tonne de fonte. L'installation correspondant à ce procédé est essentiellement caractérisée par le fait qu'elle comprend la combinaison e d'au moins un dispositif de chauffage oxydant tel que grille continue, ou cuve, ou four tournant, . d'un dispositif de mélange homogène des produits ferriférés et des fondants chauds avec le réducteur solide froid, d'au moins un four vertical de prétraitement alimenté par le dis positif de mélange, et pourvu à sa partie supérieure d'un sas étanche et à sa partie inférieure d'un tube incliné de déversement dans le bas-fourneau électrique, . de moyens d'injection d'air très divisé à la partie supérieur du four vertical, un peu au-dessous du niveau supérieur de la charge, . de moyens d'aspiration des gaz, au-dessus de la charge, dans la partie supérieure du four vertical, . d'un bas-fourneau électrique de réduction dont la volte comporte au moins un point de chargement recevant un tube incliné de déversement d'un four vertical de prétraitement, de moyens dtinjection d'hydrocarbures un peu au-dessusdu-pied des électrodes Soderberg, dans l'axe de celles-ciO Selon une caractéristique essentielle de l'invention,lgins- tallation comporte au moins un dispositif associant une électrode type Sbderberg et un injecteur d'hydrocarbures et qui est constitué en combinaison :: - d'une enveloppe métallique extérieure consommable, formée d'au moins une virole cylindrique dont l'extrémité supérieure est destinée à être raccordée à une autre virole, - d'une couche adjacente formée dsun matériau carboné conducteur de l'électricité chargé par l'extrémité supérieure de l'enveloppe sous forme de morceaux d'une pâte susceptible de cuire dans le four, au cours de la descente de l'électrode, selon un processus connu, - d'un organe d'injection d'hydrocarbures, coaxial à l'électrode, formé d'au moins une canalisation centrale d'injection enveloppée dans au moins une gaine métallique dans laquelle circule un fluide de refroidissement, l'extrémité inférieure du dit organe étant maintenue à un niveau à peu près constant au-dessus du nez de l1 électrode. - d'une couche de faible épaisseur, coaxiale à l'organe d'injection, formée d'un matériau réfractaire de faible granulométrie, et disposée entre la gaine extérieure de l'organe d'injection et le corps de 1' électrode Söderberg. Le procédé et l'installation selon l'invention seront mieux compris à l'aide de la description suivante qui se rapporte aux figures annexées données à titre d'exemple et sans limitation0 La figure 1 représente schématiquement une installation conforme à l'invention. La figure 2 représente le dispositif associant une électrode et un injecteur d'hydrocarbures0 Selon la figure 1, l'installation selon l'invention comprend essentiellement un appareil de chauffage 1, un four vertical de oré- traitement 2 communicant par une goulotte inclinée , avec un bas fourneau électrique 4 doté GtUn disosltif 5 d'électrode à injection incorporée. L'installation n'a été représentée, pour plus de clarté, qu'avec un seul dispositif 5 et azu'Ql seul fcur de prétraitement 2. Cependant l'installation peut colporter plusieurs fours tels que 2, alimentant le bas-fourneau par autant de points de chargement - De même, le nombre et la disposition des électrodes ne sont pas limitatifs L'appareil de chauffage 1 est représenté ici, à titre d'exemple non limitatif, par une grille continue circulant entre des hottes supérieures de chauffage et des lottes inférieures d'aspira tionO il est alimenté, en produits ferriférés et fondants, à partir des trémies 11 et 12.Ces produits préchauffés sont déversés dans un appareil de mélange et de transfert 10, constitué par exemple par une benne calorifugée à fond ouvrant qui tourne autour de son axe vertical et reçoit en neume temps les produits chauds et le réducteur solide froid arrivant en 13. le four vertical de prétraitement est chargé par un gueulard 21, de type connu en soi, comprenant un sas fermé par une cloche supérieure 211 et une cloche inférieure 212, dont les mécanismes de commande n1 ont pas été représentés. Ce four 2, comme la goulotte inférieure 3, est revêtu d'un garnissage isolant et réfractaire, résistant à l'abrasion.Dans la partie supe- figure du four 2, de l'air, préchauffé ou non, est introduit à une distance convenable du niveau supérieur des charges. le collecteur d'air 22, muni d'un registre 23, débouche sur une conduite circulaire 24 qui distribue l'air à un ensemble de buselures d'injection 25 régulièrement réparties. l'intérieur du four 2 étant en dépressions l'admission de l'air est aisément réglée par le registre 23 oft peut être commandé automatiquement à partir d'un analyseur connu des gaz brtlés en haut de cuve. ies gaz brûlés sont as-lizés, à travers la conduite 6 et un refroidisseur 7, par un ventilateur à vitesse constante 8. ne vanne papillon 9, en amont du ventilateur 8, règle la dépression darus ie circuit gaz et la cuve j de façon que la pression des gaz au niveau de la voute du bas-fourneau 4 soit ratiquement nulle, con forcément aux exigences normales de fonctionnement de ce bas-fourneau. le brevet français 7 208 574 décrit un four de prétraitement susceptible d'être adapté à la présente installation. Le dispositif associant une électrode jo.derberg 4 ii4 jecteur axial d'hydrocarbures est représerìvé sur les figures 1 e-:. E il com-orte, extérieurement, une gaine cylindrique 51 métallique, appelée aussi "casing" formée d'une série de viroles disposées bout à bout. A partie d'un certain niveau, la gaine 51 est remplie inférieure rement d'un matériau conducteur de l'électricité 52, d'abord en morceaux, puis pâteux, enfin solide. Le dispositif 53 d'injection dtn-dro- caroures (avec ou sans oxygène), coaxial à l'électrode, comporte une (ou plusieurs) canalisation 531 véhiculant les produits à injecter,et raccordée à une (ou plusieurs) conduite d'amenée 532.Il est refroidi par de l'eau qui circule sous pression dans une double gaine métallique 533 - 534 raccordée à une canalisation d'arrivée 535 et à une canalisation d'évacuation 536. Une couche mince 54 de matériau réfractaire pulvérulent est noyée entre ltinjecteur 53 et le corps conducteur de 11 électrode 52 Cette couche évite le collage entre l'électrode consommable 52 et le gainage extérieur de l'injecteur refroidi 53. Elle contribue aussi à une certaine protection de l'injecteur0 L'injecteur 53 est suspendu, par un organe de suspension et de centrage isolant 56, à un dispositif mécanique 57 lié aux installations fixes et suscepti bler(a) de positionner le nez de l'injecteur a un niveau moyen convenable par rapport au nez de l'électrode et au bain métallique dans le bas-fourneau (b) d'imprimer à l'injecteur des mouvements de faible amplitude soit verticaux le long de son axe, soit de rotation autour de cet axe.Ces mouvements sont destinés à faciliter la mise en place et la descente du matériau réfractaire et pulvérulent 54, tout en évitant les collages entre l'injecteur et la pâte d'électrode. La couche réfractaire peut être constituée, par exemple, par de la chaux fine, ou du kieselguhr précalciné, ou de la verS-iculite ou de lVamiante finement broyées. La pâte destinée à former l'électrode est chargée en petits morceaux par le haut de l'enveloppe0 Au fur et à mesure de l'usure de l'électrode, l'ensemble constitué par l'enveloppe 51 et la masse conductrice 52 descend automatiquement. les morceaux de pâte fondent, se soudent entre eux, cuisent en donnant du graphitez le matériau pulvérulent est réparti autour de Itinjecteur 53, un peu au-dessus de la zone de début de ramolissement des morceaux de pâte à l'aide d'une goulotte fixe 55, coaxiale à l'injecteur 53 et au casing 51, et suspendue de façon isolante aux superstructures fixes, au même titre que l'injecteur. L'injecteur peut entre entièrement retiré et remis en place par un dispositif de manutention 58, de meme d'ailleurs que la goulotte 55. Le casing 51 et l'électrode Sdderberg 52 sont entratnés et alimentés en électricité par des dispositifs connus. L'isolation électrique entre d'une part l'injecteur 53 et la goulotte 55, et d'autre part les conduites d'amenée et de départ des fluides et les dispositifs de suspension ou de manutention met en oeuvre des procédés classiques connus. Le fonctionnement de 1 l'installation va entre maintenant décrit en se référant à la figure 1. Un mélange des produits ferriférés à traiter 14, se présentant sous forme de minerais calibrés1 de sinters ou de boulettes, et des fondants calibrés nécessaires 15 est chargé de façon continue dans l'appareil de préchauffage lo Les produits 14 y sont chauffés, les fondants calcaires 15 décarbonatés. Leur température à la sortie est réglée, selon les cas, entre 750 et 13000 a. L'agent réducteur carboné 16, solide, froid et calibré est soigneusement mélangé aux produits préchauffés sortant de 1.Le mélange est introduit dans le (ou plusieurs) four de chauffage et de préréduction tel que 2, dans lequel il s'écoule vers le basfourneau 4. Les hydrocarbures - à savoir du gaz naturel, ou du fueloil de préférence en combinaison avec de ltoxygène, ou éventuellement des gaz provenant de la distillation des charbons selon des procédés connus en soi - sont amenés, au nez des-dispositifs 5, dans la zone la plus chaude du bas-fourneau. Ils engendrent, par craquage au contact du métal ou de la scorie liquides, un gaz riche en hydrogène qui traverse le talus 40, des matières ayant traversé le four vertical 2.Le mélange gazeux, hydrogène et oxyde de carbone pour 11 essentiel, assure une préréduction plus rapide des matières descendantes, cependant que le carbone de créquage effectue une part non négligeable de la réduction directe et de la carburation du métal. Les gaz sortant du bas-fourneau sont encore très fortement réducteurs quand ils traversent à contre-courant la charge chaude 20 descendant dans le four vertical 2 et la goulotte 3. Ils sont brayés dans la partie supérieure de la cuve 2 de façon à utiliser au mieux leur pouvoir calorifique au profit d'une augmentation supplémentaire de la température de la charge 20.Il est essentiel de noter ici que l'air introduit de façon très divisée par les buselures 25 provoque de façon préférentielle la combustion des gaz réducteurs ascendants plutôt que celle de l'agent réducteur carboné, solide et froid, qui reste ainsi disponible pour la réduction directe des oxydes de fer dans les zones les plus chaudes du bas-fourneau et qui, dans le cas du coke, constitue dans la zone de fusion du bas-fourneau, une ma trice solide très favorable à la perméabilité de la charge aux gaz ascendants. On comprend aussi que la technologie des installations oblige à procéder au mélange homogène des produits ferriférés et du réducteur solide avant leur introduction dans le circuit de ré réduction. A noter aussi que, en complément des gaz réducteurs ve nant du bas-fourneau 4, ou en substitution éventuelle de ceux-ci, on peut envisager l'introduction de gaz réducteurs chauds dans la partie inférieure du four vertical 2. Ces gaZsinåectés par des bu ses spéciales 26 peuvent être produits par conversion dthydrocarbu- res dans des installations annexes, en mettant en oeuvre des procé dés connus. Leur volume est fonction de la nature et du préchauffage des produits ferriférés, ainsi que des taux d'injection déjà prati qués au nez des électrodes du bas-fourneau. Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer des variantes et des perfectionnements de détail, de mame qu'envisager l'emploi de moyens équivalents0 > 3VìDICATIONS 1) Procédé d'élaboration de métal liquide au bas-fourneau électrique, caractérisé par le fait outil comprend, en corabinaison . le préchauffage oxydant entre 7500 et 13000 C d'une charge de pro dits ferrifbres criblés et calibrés, tels que minerais, sinters ou pellets, et des fondants éventuellement nécessaires, .Le mélange homogène de la charge ainsi pré chauffée avec un agent réducteur carboné solide, calibré et froid, du colle de préférence, . l'introduction de la charge globale ainsi constituée dans au moins un four vertical étanche de prétraitement alimentant en continue le bas-fourneau électrique, la descente de la charge dans le dit four, à contre-courant des gaz réducteurs chauds sortant du bas-fourneau, . l'injection d'air finement divisé dans la partie supérieure du four de prétraitement, de façon à assurer la combustion neutre des gaz qui ont effectué une certaine préréduction des matières dans la partie inférieure du dit four, o l'évacuation et l'aspiration des gaz brtlés, de maire à ce que la pression des gaz à la voute du bas-fourneau soit constamment réglée à une valeur très voisine de celle de l'atmosphère exté rieure, . l'injection, sous pression, dans l'axe des électrodes Sdderberg du bas-fourneau électrique, et à proximité de leur extrémité, d'hy- drocarbures - éventuellement en conjonction avec de l'oxygène - de façon à obtenir des gaz réducteurs convenables en qualité et en quantité. 2) Procédé d'élaboration de métal liquide au bas-fourneau électrique selon la revendication 1, caractérisé par le fait qutil comprend, à la partie inférieure du four vertical de prétraitement, l'injection de gaz réducteurs chauds produits extérieurement selon un procédé connu. 3) Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comprend, en combinaison . un dispositif de préchauffage oxydant tel que grille continue, four vertical ou four tournant, . un dispositif de mélange des produits ainsi préchauffés avec le réducteur solide froid, . au moins un four vertical de prétraitement pourvu à sa partie su périeure d'un orifice de chargement avec système de sas étanche et à sa partie inférieure d'une goulotte de déversement, des des moyens d'injection d'air dans la partie suyzérieure du four ver tical de prétraitement, en desspus du niveau des charges, c > des moyens d'aspiration des gaz dans la partie supérieure du four vertical de prétraitement, au dessus du niveau des charges, .iln bas-fourneau électrique de réduction à électrodes Soderberg, dont la voute comporte au moins un point de chargement recevant une gou lotte de déversement du four de prétraitement, des moyens d'injection d'hydrocarbures dans l'axe / électrodes, un peu au dessus du nez de celles-ciO 4) Installation d'élaboration de métal liquide au bas fourneau électrique selon la revendication 3 et comportant au moins un dispositif associant une électrode et un injecteur dthydrocarbures, caractérisée par le fait qu'il est constitué, en combinaison . d'un dispositif conventionnel d'électrode continue du type Söderberg, . d'une lance d'injection d'hydrocarbures, coaxiale à l'électrode, formée au moins d'une canalisation centrale d'injection enveloppée dans au moins une gaine étanche à l'intérieur de laquelle circule un fluide de refroidissement, le nez de la dite lance étant main tenu à l'intérieur de l'électrode conductrice, un peu au dessus de l'extrémité de celle-ci, . d'une couche de faible épaisseur, formée d'un matériau réfractaire finement broyé, disposée entre la gatne extérieure de l'injecteur et la masse de l'électrode Söderberg. 5) Installation d'élaboration de métal liquide au bas fourneau électrique selon revendication 4, caractérisée par le fait que la lance d'injection est associée à des moyens moteurs de dépla cement pouvant lui imprimer des mouvements alternatifs le long et autour de son axe vertical. 6) Installation d'élaboration selon revendication 4, ca ractérisée par le fait que le matériau réfractaire déposé en couche mince entre l'organe d'injection et la masse conductrice de l'élec trode Soderberg est un matériau pulvérulent, tel que de la chaux moulue. 7) Installation d'élaboration de métal liquide selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le maté riau réfractaire est amené entre la lance et la pâte d'électrode à l'aide d'une goulotte de révolution, coaxiale à l'ensemble lance/ électrode, et qui débouche un peu au dessus de la zone de ramolis sement des morceaux de pâte devant nstitur ensuite Méloetrode par cuisson,