Brevet FR2174796A1 — publié le 19731019

Les procédas visant à obtenir la réduction directe du minerai de fer sont nombreux. Leurs résultats techniques et économiques dépendent dans une large mesure des conditions locales et des produits mis en oeuvre. L'amélioration de la technique ne peut être trouvée que dans les procédés qui mettent l'oxyde dimensionné dans les conditions les plus économiques, en présence d'un réducteur efficace, lui-mme aussi économique que possible. Si, dans ces conditions, les taux de réduction obtenus sont satisfaisants, on pourra espérer une rentabilité du procédé assez générale pour concurrencer si possible le prix de la ferraille. C'est un premier stade (A) de fabrication. La préférence au prix de la pierraille qui sert souvent de comparaison entre les procédés, n'est en fait justifiée que s'il s'agit d'introduire le produit réduit dans un cycle de fabrication à la place de cette ferraille. I1 y en a de nombreases applications. Mais l'objectif du sidérurgiste est de faire de l'acier, et le fait de passer par un stade de produit froid ne fait génd- raclement qu'alourdir le bilan thermique du procédé de réduction. Le procédé qui permet de passer directement 8 un produit liquide du genre fonte, établit une économie du cycle de fabrication, c'est le stade que nous appellerons (B). Si de plus ce stade de fabrication permet efficacement et avec des moyens connus de passer à la production des nuances d'acier désirées, dans les meilleures conditions économiques, on peut dire que l'on rejoint la chaine de la fabrication casaque au niveau de la coulée acier et c'est l'économie du procédé qui décide de son intérèt. C'est ce que nous appelons le stade (C). Ces trois stades A, B, C, constituent une chaine de fabrication 8 partir de minerai et de réducteur qui présente l'intérèt d'associer des moyens connus ou nouveaux pour obtenir les produits dans les meilleures conditions.De plus, chaque stade peut etre considéré intrinsèquement : (A) Si on désire substituer le minerai réduit è la ferraille dans un cycle classique, (A + B) si on ddsire fabriquer un produit complètement réduit et liquide du type fonte1 (A + B + C) Si on désire parvenir à la production des diverses nuances d'acier. Nous allons décrire les diffdrents stades A B C dont nous revendiquons l'originalité. STADE A Lés fours FUVO-ERIM, dont les brevets français principaux NO 1310939 et 1568787 déposés par la Société FUSION ET VOLATILISA TION décrivent l'application, en vue de la fabrication de boulets cokéfiés à base de charbon ou d'un mélange de charbon et d'oxyde, ont fait l'objet de diverses applications. Il s'y ajoute diverses techniques dont celles décrites dans le brevet nb 955491 déposé par notre Société. Ces techniques permettent d'obtenir des agglomérés ayant supporte une carbonisation à des températures pouvant ddpasser 1.000 C, ce qui leur confère des caractéristiques mécaniques très élevées indispensables, en vue d'une utilisation au haut fourneau par exemple. D'autre part il est possible de réaliser des agglomérés à base de carbone et d'oxydes métalliques. Si la nature des constituants est judicieusement dosée,l'opération de carbonisation leur permettra aussi d'acquérir une résistance mécanique compatible avec leur utilisation dans les fours métallurgiques de production. Par contre dans le cas du minerai de fer si la température de cuisson atteint des valeurs telles que compte tenu de l'ambiance gazeuse une réduction se produit, l'agglomérJizaura une moins grande résistance mécanique. On devra tenir compte de ce phénomène en jouant sur les proportions et la nature des éléments constituants les boulets pour obtenir néanmoins des résultats convenables au point de vue caractéristiques mécaniques. Certaines additions richés en fer permettant d'obtenir un excellent produit. On sait d'autre part que des morceaux de minerai de fer (concassés 20/40 par exemple) portés progressivement à une temps rature de 1.0000 et placés à cette température dans une enceinte comprenant du carbone et des gaz réducteurs CO et H2 subissent une réduction à un taux variable pouvant atteindre 98 ffi suivant la réductibilité du minerai et la durée du séjour aux conditions prdaitées. Les courbes (planche I) montrent le taux de réduction du minerai de fer (en % en ordonnée) suivant la température de la réduction et la teneur en charbon (% par rapport au minerai en abcisses), On voit qu'entre 1000 et 1100e centigrades le taux de réduction atteint son maximum très rapidement et le bilan carbone établi entre des boulets crus et des boulets réduits prouve que la réduction a été effectuée en grande partie par le réducteur gazeux (CO + H2) provenant des matières volatiles du charbon. Il en résulte qu'une possibilité nouvelle est offerte en vue de la préparation du minerai pré-réduit. Elle consiste à traiter simultanément au four ERIM des morceaux de minerai et des morceaux de charbon, la nature du charbon étant telle qu'au cours de I'opération de carbonisation elle ne crée pas de difficultés imputables à des phénomènes tels que forma- tion excessive de fines ou à l'inverse fusion du charbon par exemple. Les charbons du type flambant secs conviennent parfaitement pour ce genre d'opération du fait de leur indice de gonflement inférieur à 2 et à leur haute teneur en matières volatiles qui produisent un gaz réducteur recherché. La constitution de la charge minerai plus charbon, présente de plus l'avantage de supprimer les risques de collage des morceaux de minerai entre eux au cours de leur production. Sous réserve que la température et la durée de l'opération soient suffisantes, on obtiendra par le cycle des opérations classiques au four ERIM, d'une part un minerai de fer-pré-réduit, d'autre part une sorte de coke friable. L'opération de réduction est obtenue principalement gracie k l'action de l'hydrogène que contiennent les matières volatiles du charbon enfourné. Du fait de la grande différence de densité du coke et du fer produit la séparation s'effectue facilement à la sortie du four. En variante il sera aussi possible de constituer la charge à partir de minerai en morceaux et d'agglomérés constitués d'un mélange de fines de charbon et de minerais, le charbon élément réducteur se trouvant dans le mélange en quantité très supérieure à ce qui serait stochiométriquement nécessaire pour assurer la réduction du minerai contenu dans le boulet mais permettant par le dégagement de ses matières volatiles jointes à celles du liant utilisé, d'assurer en plus la mise en température et la réduction partielle du minerai en morceaux. On peut envisager éventuellement deux solutions extrèmes, l'une consiste à ne charger que du minerai en morceaux, le gaz r8ducteur prove:;nant d'une source extérieure insufflé à la base du four, l'autre à ne charger que du charbon. Caratéristiques du fonctionnement du four ERIM suivant l'invention L'opération de réduction se produit de la façon suivante dans le four ERIM suivant l'invention - Trois caractéristiques de fonctionnements différents du four sont décrits dans les paragraphes suivants. I - Suivant la planche II, le four ERIM est un four à cuve verticale (1) dans lequel les produits à traiter sont enfournés en 2 s'écoulent par gravité en 3 et s'évacuent en 4 - -Il ionctionne en quelque sorte comme un échangeur de chaleur suivant 3 z8nes successives. Dans la zane médiane 5 on effectue une injection d'air 6 qui brille du gaz et dégage les calories nécessaires à la bonne marche de l'opération. Dans la partie supérieure 7 du four, l'échange de chaleur s'effectue entre les gaz chauds ascendants qui se refroidissent en réchauffant la charge. A cette occasion les matières volatiles du charbon se dégagent et se mélangent aux gaz ascendants comprenant les produits de la combustion de la zone 5. Dans la zône intérieure 8 les gaz froids qui sont recyclés comme il sera expliqué par la suite se réchauffent au contact de la charge chaude et la refroidissent. Ces gaz recyclés 9, introduits à la base du four ERIM proviennent de la distillation du charbon de la charge. Ils sont récoltés au sommet du four 10 et subissent un traitement spécial 11 en vue de leur dégoudronnage et de leur conditionnement. 12 est un ventilateur qui assure le recyclage des gaz. Suivant la hauteur de la zone d'injection d'air la zone de chauffage, qui est en même temps zone de réduction des oxydes métalliques grâce à la méthode utilisée pour l'injection de l'air, s'étage comme on le désire dans le four suivant le réglage des arrivées d'air. Comme le débit de gaz recyclé 9 est toujours très supérieur à celui qui correspondrait à la combustion oomplète que permet l'air introduit, l'atmosphère à l'intérieur du four reste toujours réductrice et par conséquent les conditions qui permettent la réduction des oxydes de fer sont réalisées - Zone 5 et 8 Les réactions de réduction seront d'autant plus rapides que la température sera plus élevée : on devra s'efforcer d'atteindre au moins 11000, bien qu a partir de 9Q0 la réduction du minerai soit déjà sensible.Suivant le temps passé dans la zone de réduction et la température à laquelle aura été portée la charge, le taux de réduction des oxydes de fer pourra varier de 60 % à 98 zou II - Suivant la planche II diverses allures de marche du four peuvent être réalisées. Si on effectue la combustion à l'intérieur du four ERIM avec de l'air naturel, il est nécessaire de ne recycler qu'une partie du gaz produit par le four, afin d'éviter un enrichissement progressif du gaz recyclé par l'azote de l'air de combustion. Le gaz en excédent au sommet du four est purgé de manière continue 13.La quantité de gaz purgé 13 dépend de la quantité de charbon introduit et de sa teneur en matières volatiles, il dépend également de la quantité d'azote introduit par l'air de combustion, il dépend enfin des réactions de la charge (réduction du minerai, décarbonisatisn etc...). Le gaz purgé est d'ailleurs à haut pouvoir calorifique et peut entre utilisé pour les besoins thermiques de l'usine ou comme il est dit plus loin pour préparer la charge de minerai ou de charbon. On peut aussi l'utiliser pour la régénération 14 des produits qui servent k conditionner le gaz recyclé 9(traitement du C02 par exemple). Au lieu d'utiliser l'air naturel comme combusant des gaz dans le four ERIN, il est également possible d'employer un fluide n'introduisant pas ou très peu d'azote dans le circuit des gaz 10. L'emploi d'oxygène plus ou moins pur en mélange avec de la vapeur d'eau convenablement insufflée en 6 dans la cuve du four 1 présente le double avantage suivant : celui de réduire la purge qué rend nécessaire la présence d'azote et de produire de l'hydrogène, gaz recherché pour la réduction du minerai. III - Pour le traitement de certains minerais (magnétites par exemple) il est souhaitable de commencer par un chauffage oxydant du minerai pour le transformer entièrement en FE2 03. Suivant la planche III le four ERIM classique est complété de la manière sui vante Un four de préchauffage du minerai 1 (à cuve ou tournant) reçoit le minerai froid en 2 et le porte en atmosphère oxydante à la température convenant au traitement prévu. Ce four 1 est chauffé par des gaz prélevés au sommet du four SERIN 3 qui sont brulés avec de l'air introduit en 4. Le minerai chaud 5 tombe dans le four ERIM. Un ventilateur exhausteur assure le débit convenable du gaz circulant dans le four 1 et rejette les gaz brulés k l'atmosphère 7 Les gaz qui quittent le four ERIM ne sont donc plus froids comme dans le fonctionnement du four suivant la planche I, mais à une température intermédiaire. Pour améliorer le bilan thermique global et simultanément enrichir en hydrogène les gaz recyclés on les fera passer 8 sur le charbon qui alimente le four ERIM 9. Simultanément on peut aussi brûler une partie des gaz 10 afin de chauffer extérieurement l'échangeur de chaleur 11 dans lequel passe le charbon 12. An cours de cette opération les gaz perdent leur chaleur et le charbon distille ses matières volatiles qui enrichissent en hydrogène le circuit de recyclage. Ala limite tous les gaz recyclés peuvent être produits par la distillation du charbon. Le reste du four ERIM 13 fonctionne comme il a été décrit en I et II précédemment (planche II). Grâce à cette disposition le four ERIM proprement dit est chargé en produits chauds, ce qui réduit sensiblement les besoins thermiques du four et en même temps diminue la quantité d'air injecté en 14. La teneur en azote des gaz réduite dans la mdme proportion sans qu'il soit nécessaire de faire appel á un soufflage d'oxygène pur aux tuyères. On peut donc trouver un équilibre thermique du procédé tel que la purge à l'air libre du gaz 15 soit pratiquement nulle. STADE B Le fonctionnement décrit précédemment dans les dispositions I II III du stade A produit de l'éponge de fer froide qutil faut en général séparer du coke sortant du four par séparation magnétique ou par densité,si on veut utiliser longe dans un four électrique; A moins qu'on utilise la charge complète dans un four électrique de réduction. Le coke produit peut être substitué à du poussier de coke sur une chaine d'agglomération par exemple. Dans le procédé décrit maintenant le four ERIM est utilisé de manière différente (voir planche IV). La partie supérieure du four 1 fonctionne comme il a été dédiit précédemment suivant les planches I ou II, une introduction d'air dans le haut de la cuve brûle une partie des gaz de manière à permettre le préchauffage de la charge jusqutà la température désirée. Par contre la zone de refroidissement 2 est remplacée par une zône de maintien de la température où la réduction du minerai se poursuit car des gaz réducteurs 3 sont introduits à la base du four à une température supérieure à 10000C. La partie inférieure du four 4 est en effet raccordée au circuit des gaz 5 que produit un convertisseur 6 du genre Thomas. Les gaz sortent à haute température du convertisseur et sont maintenus k la température voulue de l'ordre de 11000 par une injection de vapeur d'eau 7 qui en se décomposant à leur contact les enrichit en hydrogbne, ce qui facilité la réduction des minerais de fer dans le four 2. Il s'ajoute à ce gaz de convertisseur la quantité de gaz recyclé suivant les besoins comme il a été décrit dans le stade A de fabrication. Sur toute la zCne inférieure du four 2 l'opération de réduction du minerai de la charge pourra par conséquent se poursuivre et les produits préréduits pourront être chargés directement dans le convertisseur k une température située entre 800 et 1000 . Une partie du carbone excédentaire de la charge sera transformée en CO dans le four ERIM par l'oxygène qu'introduit la vapeur d'eau et l'air injecté 7 et 8. Sous réserve de maintenir un bain liquide de fonte 9 dans le fond du gonveiisseur 6, les morceaux de minerai préréduit fondent et la réduction est parachevée par le carbone liquide du bain. Le carbone excédentaire contenu dans les produits quittant le four ERIM est brillé dans le convertisseur en CO par de l'air froid soufflé par le fond de l'appareil 10 - la quantité de carbone introduite dans la charge du four ERIM doit être utilisée dans l'ensemble du système de manière à ce que le bilan thermique soit équivalent à celui d'un haut fourneau. Les produits liquides dans le convertisseur comprennent le laitier il et une fonte généralement à bas carbone9. Cette fonte peut etre utilisée pour alimenter un convertisseur d'aciérie suivant un cycle de fabrication classique. STADE C Mais dans une sidérurgie autonome il peut être intéressant de ne pas s'arrêter au stade de la fonte et de chercher à fabriquer de l'acier. Le procédé est alors le suivant(planche V) Le four ERIM 1 fonctionne en continus comme décrit au stade B ci-dessus et débite alternativement ses produits chauds dans deux convertisseurs 2 et 3 du type précédent. Si par exemple on admet que pendant * heure l'un des convertisseurs 2 alimenté par le four ERIM élabore la fonte, lors de la * heure suivante le four ERIM alimente le deuxième convertisseur 3 qui après basculement est alimenté par un jeu de vannes 4. Pendant ce temps le premier converti s- seur décrasse la scorie de réduction, on y ajoute la chaux nécessaire et on poursuit le soufflage jusqu'a la nuance d'acier désirée, suivant les méthodes classiques. A la fin de l'opération l'acier est coulé en poche sauf quelques tonnes gardées dans l'appareil auquel on ajoute du carbone, par exemple sous forme de boulets carbonisés et l'opération se poursuit avec l'alimentation des produits préréduits provenant du four ERIM. La méthode de production d'acier est donc semi-continue ce qui permet d'ajuster les nuances d'acier aux valeurs désirées. Le procédé est alors dans son ensemble, hautement économique de coût d'investissement et de coût d'exploitation. REVENDICATIONS 1 - Procédé permettant la réduction du minerai de fer en morceaux caractérisé par le chargement du minerai en morceaux en mélange avec du charbon en morceaux dans un four ERIM suivant planche II de fonctionnement classique, ctest-à-dire que ltapport calorifique est réalisé parce qutune partie des gaz circulant dans le four est brayé par un apport d'air ou d'oxygène ou de fluide oxygéné introduit de manière appropriée pour que l'atmosphère du four reste réductrice. Une partie des gaz prélevés au sommet du four est recyckée à la base du four après son conditionnement pour éliminer en partie ou en totalité les éléments pouvant contrarier la réduction du minerai de fer par leurs propriétés oxydantes aux températures de réaction notamment H20 et C02. Le procédé est caractérisé par le fait que les gaz recyclés proviennent uniquement des gaz recueillis au sommet du four qui proviennent essentiellement des matières volatiles résultant de la distillation du charbon sans qu'il soit fait appel à du gaz réformé produit à l'extérieur du four. 2- Le procédé suivant la revendication i est caractérisé en ce que le gaz recyclé est introduit froid à la base du four ERIM. 3 - Procédé suivant revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le charbon est remplacé par d'autres combustibles solides riches en matières volatiles notamment le bois. 4 - Procédé suivant ltune quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le minerai est préalablement chauffé en atmosphère oxydante à l'extérieur du four ERIM avant d'être chargé dans celui-ci, notamment en utilisant la combustion d'une partie du gaz produit par le four. 5 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le combustible est préalablement chauffé à l'extérieur du four directement par les gaz sortant du four à travers des parois grâce à la combustion d'une partie des gaz sortant du four avant d'être chaud dans celui-ci. 6 - Procédé suivant l'une quelconque des reve-ldicDtions 1 à 5 caractérisé en ce nue les opérations décrites dans la revendication 4 concernant le minerai et ou la revendication 5 concernant le combustible sont réalisées dans la partie supérieure du four ERIM. Les produits chargés étant chauffés à contre courant par les gaz dans des espaces séparant le chauffage du minerai de celui du charbon. 7 - Procédé suivant itune quelconque des revendications 1 à 6 en vue de produire du minerai préréduit caractérisé en ce qu'on produit simultanément un sous-produit du combustible utilisé coke spécial si on a utilisé le charbon, charbon de bois si-on a utilisé du bois. Dans un cas extrême le procédé permet de produire uniquement le combustible spécial si on supprime le minerai de la charge. 8 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7 en vue de la production de minerai préréduit caractérisé en ce qu'on peut modifier la charge pour adapter le procédé aux conditions locales, à titre d'exemple il est indiqué - addition de castine avec la charge du minerai. - diminution de la quantité de combustible par rapport à la quan tité de minerai jusqu'à la limite imposée par la consommation stochéométrique du gaz réducteur. - Chargement avec le minerai en morceaux d'agglomérés constitués par du charbon, des fines de minerai et des poussières de convertisseurs soufflés à l'oxygène. - remplacement du minerai en morceaux de la charge par des pellets de minerais crues ou cuites. 9 - Four pour la mise en oeuvre des procédés suivants la revendication 6 caractérisée en ce que la partie supérieure du four ERIM est surélevée et reçoit des injections d'air en vue d'obtenir la combustion complète du gaz et le chauffage oxydant du minerai, tandis que le combustible s'écoule dans une zone séparée de celle réservée au minerai par une paroi transmettant la chaleur au combustible, la charge de combustible restant parcourue par une partie des gaz réducteurs qui circulent dans le four. Les gaz destinés à être recyclés sont alors collectés uniquement en tette de la colonne de distillation du combustible. 10 - Ensemble de fours disposés en batteries gracie à parallèle des fours rectangulaires ERIM classiques ou des fours suivant revendication 9, ou de fours de forme ovale circulaire ou annulaire fonctionnant suivant les mêmes principes. 11 - Procédé de fabrication de fonté liquide k partir de minerai de fer caractérisé en ce que les produits préréduits sortent chauds des fours décrits dans les revendications 9 et 10 alimentant en continu un conveltisseur soufflé à l'air ou avec un fluide oxygéné et suivant lequel les gaz sortant chauds des convertisseurs cir culent ensuite de bas en haut dans le four ERIM avec les gaz recyclés en les remplaçant partiellement ou totalement. 12 - Procédé de fabrication de l'acier caractérisé en ce que la fonte élaborée suivant la revendication fl est ensuite soufflée dans le même convertisseur jusqu'à obtenir la nuance d'acier désirée, suivant les procédés connus, pendant que le four débite le minerai préréduit et chaud dans un deuxième convertisseur fonctionnant alternativement avec le premier pour élaborer la fonte suivant la revendication 11 13 - Ensemble d'équipements pour la mise en oeuvre du procédé décrit en 11 ; le four ERIM classique ou celui décrit dans la revendication 9 est caractérisé par une tubulure refroidie, raccordant la partie inférieure du four à un convertisseur d'aciérie soufflé par le fond. La tubulure venant s'adapter sur le bec du convertisseur et servant de cheminée à l'évacuation des gaz du convertisseur. La circulation des gaz est assurée par un ventilateur exhausteur placé sur les gaz froids sortant du four ERIM. 14 - Ensemble d'équipements pour la mise en eeuvre du procédé décrit en 12 caractérisé en ce que la disposition prévue à la revendication 13 pour un seul convertisseur comporte une double tubulure permettant d'alimenter en produits chauds alternativement chaque convertisseur, une vanne obturant la tubulure qui correspond au convertisseur qui élabore l'acier et qui donc a privoté de ltan- gle convenable suivant la planche V.