Brevet FR2244820A1 — publié le 19750418

Le rendement du haut fourneau classique moderne tel que mesuré par le prix de revient du métal chaud réduit par tonne et ramené en tonnes par heure et une meilleure qualité de me- tal chaud a été nettement amélioré en modifiant de façon avantageu se la charge introduite au sommet et aux entrées : gaz, liquides et solides introduits à la base dans la zone de tuyères. Les possibilités pour des améliorations accrues du mme genre sont limitées par l'exi- gence que les gaz introduits ou produits au voisinage du fond du four doivent s'écouler de manière uniforme à travers les interstices de la charge à 1'encontre d'un écoulement vers le bas de matière en fu sion. Des températures décent chaud élevées et des températures de flamme adiabatiqua élevées contribuent à fournir de manière écono- mique la chaleur à haute température supérieure à 1860 C. exIgée dans la zone d'étalage pour parvenir aux températures de coulée requises et commander convenablement le soufre. Si la zone à haute température s'étend très loin vers le haut dans le fourneau, toutefois, de l'oxy- de de fer est fondu avant d'tre réduit. Lorsqu'il est réduit, des' gouttelettes de fer se déplaçant vers le bas, à cause de leur point de fusion plus élevé, tendent à se solidifier en réduisant la dimension des interstices dans la charge, ce qui empche l'écoule- ment uniforme vers le haut des gaz en entrainant un mauvais transfert thermique et en gnant le déplacement de la charge vers le bas. Ce genre de conditions doit fréquemment tre corrigé en réduisant le débit de vent et par conséquent le rendement de production. Une com mande convenable du soufre est également difficile à obtenir lors que le déplacement de la charge vers le bas est erratique ou que les températures de so ou de creuset tombent à de trop faibles valeurs. La conversion de C02 et H20, formés par la réduction du minerai de fer pour avenir à CO et H2 par une réaction avec le carbone de coke chaud qui se déroule à des températures élevées augmente la consomma tion de coke sans produire de la chaleur à haute température. La présente invention réduit le volume de gaz par tonne de métal chaud qui doit se déplacer vers le haut depuis le voisinage de la base du fourneau à travers la zone à contre-écoule ment limitée décrite précédemment et rend possible l'utilisation dans la zone de tuyères primaire de températures de flamme adiabatique= élevées résultant de températures de vent élevées et d'une teneur accrue en 2 dans le vent. Ceci est réalisé en utilisant deux jeux auxiliaires de tuyères pour introduire dans le fourneau, un gaz réducteur produit à l'extérieur de celui-ci, de manière à limiter l'étendue de la zone à haute température et commander avantageusement dans une zone distincte le préchauffage et l'activité de réduc- tion du minerai qui doivent se dérouler dans la cuve. La zone de chaleur à haute température est limitée et l'écoulement de gaz à partir de celle-ci est réduit uniquement à la quantité requise pour produire la chaleur à haute tempe- rature nécessaire en cet endroit. En réduisant le débit de gaz requis par tonne de métal chaud à travers la zone limitée, il devient possible d'accroître le nombre de tonnes de métal chaud par heure. Un gaz réducteur à température commandée est injecté à travers le premier jeu de tuyères auxiliaires situées à un niveau élevé dans l'é- talage au-dessus du point où la matière en fusion devrait normalement se situer. Il se mélange avec les gaz à haute température se dépla çant vers le haut et limite la dimension de la zone à haute température. La capacité du fourneau de réduire du minerai plie haut dans la cuve est augmentée par le volume accru de gaz réducteur introduit et en maintenant une température de gaz idéale dans cette zone ainsi qu'une pression au sommet convenable. Cette capacité est encore accrue par l'injection d'un gaz réducteur à température commandée supplémentaire. par l'intermédiaire d'un second jeu de tuyères auxi liaires situées immédiatement au-dessus de l'enveloppe extérieure. Dans la zone de préchauffage et de réduction de minerai créé de la sorte il n'y aura que peu ou pas de"perte de solution"provoquée par une retransformation du produit gazeux de la réduction du minerai en un. gaz réducteur par contact avec du coke à haute température. En réduisant la"perte de solution", le coke qui doit. tre consommé par tonne de métal chaud est diminué. Le résultat total est une augmentation possible en tonnes par heure d'eploitation, une meilleure qualité du métal chaud et une réduction du prix de revient par tonne à cause de la substitution d'une source à bas prix de revient pour une partie importante du gaz réducteur. Le charbon convenant pour la préparation du coke de fourneau devient toujours plus rare et plus onéreux- Du point de vue écologique, le système suivant la présente invention offre d'importants avantages, en ce sens que la fine poussière d'oxyde de fer provenant du procédé à oxygène basique peut tre recyclée dans le convertisseur de gaz et le prix de revient de son recueillement ainsi que le danger d'une pollution de l'eau et de l'air sont éliminés. De mme, on peut totalement uti- liser des impuretés de laminage contaminées par des hydrocarbures. De mme, les gaz de sommet provenant du haut fourneau lui-mme et contenant des matières solides en suspension difficiles à récupérer mme dans une installation de frittage et pouvant entraîner une pollution de l'air seront convertis en métal chaud dans le convertiseur de gaz. Lorsque ces matières fines sont retirées du gaz de haut fourneau et font partie de l'alimentation d'une installation de frittage, une partie d'entre elles revient dans le gaz de cuve et afin d'éviter une pollution de l'air, elles doivent tre séparées par un équipement onéreux à établir et exploiter, tel que des filtres en sac. D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description ci-après, donnée à titre d'exemple non limitatif et en se référant aux figures 1 et 2 des dessins annexés dans lesquels des éléments analogues sont désignés par les mmes références. La figure 1, une vue en coupe verticale schématique, illustre un jeu classique ou primaire de tuyères 21 disposées à la périphérie d'un haut fourneau modifié 45. Un second jeu 46 est disposé de mme dans la zone d'étalage et un troisième jeu 47 d'une façon semblable immédiatement au-dessus de l'enveloppe extérieure 48. Les gaz prélevés à partir du sommet du haut fourneau 45 sont envoyés vers un convertisseur de gaz 54 d'un type désiré quelconque utilisant un agent réducteur à faible teneur en carbone pour réduire le C02 et le H20 en CO et H2. Ces gaz réducteurs récu- pérés sont alors envoyés à une pure de collecteurs ou conduits annulaires 35 et 36 auxquels sont connectés les jeux de tuyères 46 et 47, respectivement. Des gaz à une température normalement de 900 à environ 1.000 C sont injectés dans le. jeu 46 afin de se mélan- ger en les refroidissant aux gaz se déplaçant vers le haut à travers la zone 2, de manière à former un courant de gaz mixte à une température proche de 1.000 C lorsqu'il atteint le niveau du second jeu de tuyères auxiliaires 47. La température du gaz injecté par l'inter médiaire de ces tuyères 47 est réglée par l'intermédiaire d'une conduite 52 (ou d'autres moyens), à une température inférieure à 1.000 C mais proche de celle-ci. Des thermocouples 42 et 44 sont utilisés peu obtenir les températures des gaz utilisés en tant que guide pour ré gler la température du gaz réducteur introduit par l'intermédiaire des tuyères auxiliaires. La figure 2 est une représatation schématique d'un système de haut fourneau perfectionné pour la mise en oeuvre de la présente invention. Trois jeux de tuyères de haut fourneau sont illustrés. Le jeu primaire est équipé d'un conduit circulaire classique 14 qui fournit aux tuyères un vent chaud, de préférence nettement plus chaud que dans la pratique normale et qui peut tre constitué par de l'air ou de l'air enrichi en oxygène, par exemple. Dans la présente forme de réalisation, chaque tuyère individuelle du jeu secondaire de tuyères 46 est disposée verticalement immédia- tement au-dessus d'une tuyère correspondante dans le jeu primaire de tuyères 21 et chaque tuyère du jeu tertiaire 47 est disposée de manière décalée au-dessus et suivant une ligne verticale utilement à mi-distance entre des tuyères correspondantes du jeu secondaire 46, afin d'offrir la meilleure répartition des gaz réducteurs dans et à travers la charge descendante du fourneau. Les figures 1 et 2 représentent toutes deux la sortie de fer classique 24 et la sortie de scories 25 utilisées pour prélever le métal chaud et les scories. La partie supérieure du haut fourneau 45, qui n'a pas été complètement représentée, sera équipée de manière clas- sique pour traiter le débit d'exploitation accru obtenu. Une partie des gaz de sommet du haut fourneau sera envoyée par l'intermédiaire d'un conduit 28 à un convertisseur de gaz 54 qui, dans la forme de réalisation de la figure 2, se présente sous la forme d'un haut fourneau modifié. Le convertisseur 54 est équipé de tuyères primaires 38 afin d'introduire de l'air ou de l'air enrichi en oxygène chauffé dans le convertisseur ainsi que d'un conduit circulaire classique 20. Des agents réducteurs cabonés solides, tels qu'un charbon non cokéfiant et du fondant sous forme de pierres à chaux, sont ajoutés à la-partie supérieure 31 du convertisseur et les gaz provenant de la prise de vent latérale 27 du haut fourneau et contenant C 2 et HO à retransformer en CO et H, sont introduits dans le convertisseur par l'intermédiaire d'un collecter ou conduit circulaire approprié 37, habituellement après avoir mélangé du gaz de procédé à oxygène basique et des gaz de sommet de convertisseur et ensuite à travers un système d'injection qui fait partie de l'assemblage de tuyères primaires 38 à la base du convertisseur. Les gaz incidents sont svoyés vers le haut à travers le lit de charbon chaud et la teneur en C02 et H20 est réduite de manière à former le CO et le H2 désirés, tandis qu'en mme temps tout oxyde métallique présent est réduit pour former le métal correspondant. Des gaz de fourneau du procédé à oxygène basique seront introduits sans purification. Ils contiendront du CO et du C02 gazeux et des particules de fumées d'oxyde de fer de dimension du micron onéreux à éliminer par tout autre procédé. Dans cette forme de walisation d'un convertisseur de gaz 54, les gaz régénérés à fournir aux conduits circulaires de haut fourneau 35 et 36 sont prélevés au-dessus de l'enveloppe ex térieure 39 à l'endroit où ils sont proches de la température désirée. En réglant avec soin le courant de gaz introduit par l'intermédiaire des tuyères auxiliaires 46 et 47, on maintiendra un-rapport d'échange mutuel de chaleur entre la charge et les gaz qui limitera fortement la"perte de solution"vers les uzetdxs dBnsla section de tuyères primaires et d'étalage et il procurera la réduction de la charge porteuse de métal principalement dans la zone. trois au-dessus de l'enveloppe extérieure. La figure 2 illustre l'exécution des opérations suivantes : des matières pramières convenablement préparées sont fournies au sommet du fourneau 45 suivant une pratique moderne satisfaisante, à l'exception du fait que le rapport du coke et des pierres à. chaux vis-à-vis de la charge porteuse de métal sera fortement réduit. Du combustible sous forme de charbon ou coke. broyé, de goudron de houille, etc, est introduit dans la zone de sole du fourneau par un système d'injection classique. Le pourcentage supérieur anormal de chaleur produite dans la zone des tuyères primaires qui est supérieure-à environ à 1.000 C est utilisé économiquement dans la seconde zone adjacente aux tuyères primaires pour obtenir du métal chaud et des scories aux températures requises. La hauteur de cette zone secondaire est commandée par les gaz réducteurs injectés par l'intermédiaire du premier jeu de tuyères auxiliaires 46. Ces gaz se mélangent au gaz à haute température produits par le fourneau en réduisant la température du courant mixte se déplaçant vers le hat, dans la mesure requise. Dans cette forme de réalisation, des gaz réducteurs fournis au haut fourneau 45 par l'intermédiaire des tuyères I----11-1'7 1 ; 4 ressemblant à un Saut fourneau modifié. Une partie des gaz de sommet provenant du haut fourneau 45 sont envoyés par un conduit ou un tuyau 28 à un mélangeur de gaz 29 dans lequel ils peuvent tre mélangés avec des gaz qui proviennent d'un fourneau à hotte de procédé à oxy- gène basique 53, dans lequel de l'acier est fabriqué par le procédé à oxygène bien connu, et qui sont conservés dans un réservoir 57. Une autre partie des gaz au sommet du haut fourneau est envoyée à un système de purification par un conduits51 et ensuite à l'emmaga- sinage, et une troisième partie si elle est nécessaire pour commander la température des gaz réducteurs injectés et dans la mesure où elle l'est, est envoyée par un conduit 52 au mélange avec les gaz réduc- teurs pénétrant dans le haut fourneau, par l'intermédiaire des jeux de tuyères secondaires et tertiaires 46 et 47. Le vent constitué normalement par de l'air enrichi en oxygène provenant d'une turbo-soufflante 55 est convenablement chauffé dans le séchoir 56 du convertisseur à gaz, ali- menté par du gaz de haut fourneau provenant de l'unité d'emmagasi- nage 60, et il est ensuite envoyé au conduit circulaire à vert 20 et aux tuyères primaires 38. Les gaz du fourneau à acier à l'oxygène et des fumées provenant du réservoir 57 peuvent également tre injectée par le système quitravaille en combinaison avec les tyères primaires recevant le vent chaud. Du métal en fusion, par exemple du fer, est formé pendant les réactions dans le convertisseur de gaz et est prélevé par la sortie 58, tandis que des scories sont prélevées par une sortie 59. Le bioxyde de carbone, C02, et les vapeurs d'eau, H20, contenus dans les gaz incidents, qui s'écoulent vers le haut à travers la charge de carbone chaude dérivée de l'alimentaw tion en charbon, sont chauffés et réduits, respectivement, en CO et H2 dans le convertisseur 54. Le produit gazeux régénéré est prélevé par une prise 32 dans le collecteur 33 du convertisseur 54 et s'écoule par l'intermédiaire d'un conduit 34 vers les conduits circulaires de haut fourneau 35 et 36. De cette manière, l'opérateur en utilisant un haut fourneau modifié 45 possédera des moyens supplémentaires autres que ceux pouvant s'appliquer au sommet ou au voisinage de la base du fourneau pour rendre l'exploitation optimum de manière à parvenir aux buts recherchés actuellement. Par exemple, si un nombre maximum de tonnes est requis, des températures de vent chaud maximum et des additions élevées de 0 au vent seront utilisé. es Sn évitera la perturbation du fourneau en utilisant le courant de gaz réducteur introduit par l'intermédiaire des tuyères auxiliaires afin de limiter la zone à haute température et d'éviter des conditions qui réduiraient l'écoulement de gaz possible \ers le haut à travers la charge. Des mesures convenables seront continuellement effectuées afin de permettre l'exécution. rapide des ajustages relativement précis possibles. Dans un haut fourneau classique, il n'est pas possible.. d'effectuer des additions indépendantes dans une zone. Par exemple, il n'existe pas de procédé pour augmenter la quantité de gaz réducteur et commander la température dans la zone suprieure en soi, ni pour engendrer des températures de flamme à- diabatiquesélevées tout en évitant en mme temps un agrandissement ou une déformation de la zone primaire à température maximum. Par exemple, si une chaleur à plus haute température est requise dans la zone de l'étalage et est obtenue en augmentant la température de flamme adiabatique, ceci peut également entraîner une augmentation de la superficie de la zone dans laquelle C02 est converti en CO par réaction avec du coke à une température supérieure à 1.000 C et ceci entrainera une consommation plus élevée en coke et tendra à diminuer la perméabilité de la charge, à cause d'une fusion pré maturée de l'oxyde de fer. De tels résultats indésirables peuvent tre évités en mettant en oeuvre le procédé suivant l'invention. Des corrections dans l'exploitation du fourneau peuvent tre effectuées manuellement, semi-automatiquement ou automatiquement et on peut utiliser dans ce but un ordinateur de processus. Une correction peut tre effectuée, par exemple, en modifiant la température ou la quantité des gaz injectés par les tuyères secondaires ou grâce à des modifications analogues dans les gaz régénérés injectés par les tuyères tertiaires. Tandis qu'une mesure continue précise des cons tituants solides de la charge et des modifications de ceux-ci sont difficiles, des modifications de la composition et d'autres carac téristiques des gaz de fourneau peuvent tre mesurées avec précision et continuellement et on peut réaliser en conséquence des modifications dans l'exploitation du haut fourneau. Des modifications des températures, des pressions, des compositions et des volumes des gaz peuvent tre contrôlées par des dispositifs appropriés installés en des points déterminants dans le système et le fourneau, pour tre enregistrées et entraîner les modifications requises. Il doit tre entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisation ci-avant et que bien des modifications peuvent y tre apportées sans sortir du cadre du présent brevet. REVENDICATIONS 1. Procédé d'exploitation d'un haut fourneau pour former du fer métallique, caractérisé en ce qu'il consiste à charger au sommet de ce haut fourneau une charge comprenant du minerai de fer :, des comprimés, des granules ou une autre matière avec une teneur métallique, des pierres à chat= ; ou d'autres fondante et du coke, à faire passer cette charge vers le bas à travers une zone préliminaire de préchauffage et de réduction dans le fourneau avec une température croissant constamment, à commander continuel lement la température de la zone en introduisant sélectivement, au voisinage de. l'extrémité inférieure de cette zone un écoulement d' agent réducteur carboné gazeux chauffé et en mélangeant cet agent avec le courant de gaz chauffés se déplaçant vers le haut à travers la zone, à amener le courant mélangé en contact intime avec la charge et à faire réagir l'agsrt gazeux et la charge de manière à préchauffer et réduire la majeure partie du minerai de fer pour former du fer métallique et un produit gazeux et un premier mélange solide de fer métallique, de coke, de scories et de charge résiduel le'sans entraîner une perte de solution et sans fusion prématurée des matières. de la charge, à faire descendre encore plus ce premier mélange à travers une seconde zone dans le fourneau qui. comprend une zone d'étalage, possédant dans sa partie i'nfërieura et au voi sinage de la zone primaire, une grille de carbone consommable for mée constamment à partir du coke dans le premier mélange, à faire passer des gaz de combustion chauds provenant de la zone primaire vers le haut. dans la zone secondaire pour former du métal en fusion et des scories, à introduire dans cette zone secondaire un agent réducteur carboné chauffé qui se combine avec les gaz de combustion chauds pour. réduire leur température et contribuer à réduire l'oxy- de de fer supplémentaire, à faire passer les matières en fusion vers le bas à travers la grille * carbone dans une zone primaire qui comprend une zone de creuset ou de soledans laquelle survient une t combustion et qui est maintenue à une température encore plus élevée que celle de la zone secondaire, à injecter un mélange d'air et d'oxygène en tant que gaz oxydant dans la zone primaire et à. amener ce gaz en contact intime avec le coke provenant de la charge, la température de flamme adiabatique dans cette zone étant d'au moins environ 1860 C, à former de l'oxyde de carbone par combustion et à faire passer les gaz de combustion chauds vers le haut à travers le haut fourneau, à récupérer séparément du fer métallique en fusion et des scories en fusion, et à prélever des gaz d'échappement conte nant CO et HO à partir du sommet du haut fourneau. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la température dans la zone de réduction ct de préchauf- fage préliminaire est commandée de manière à éviter une perte de solution et une fusion prématurée et ne dépasse pas 1.000 C, la température dans cette zone d'étalage étant d'au moins 1.000 C et une température de flamme adiabatique d'au moins 1860 C étant engendrée dans cette zone primaire. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz d'oxydation est de l'air enrichi en oxygène contenant au moins environ 25 % d'oxygène supplémentaire. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent réducteur gazeux est constitué essentiellement par un mélange de CO et H2. 5. Haut fourneau destiné à produire du fer et des matières analogues, comportant une partie de préchauffage et de réduction primaire supérieure, un étalage, une sole et un jeu de tuyères primaires disposées autour de celle-ci, caractérisé en ce qu'il comprend un jeu de tuyères auxiliaires disposées autour de la périphérie de la partie supérieure de l'étalage, un second jeu de tuyères auxiliaires disposées autour de la périphérie de la partie de préchauffage et de réduction supérieure au voisinage de sa base, chacun des jeux de tuyères auxiliaires étant équipé de moyens distincts pour y envoyer un gaz réducteur, des-moyens destinés à conduire un gaz réducteur chauffé de l'extérieur du fourneau vers chacun des jeux de tuyères auxiliaires et des moyens détecteurs de température disposés dans chacune des zones comprenant l'étala- ge et la partie de préchauffage. 6. Haut fourneau suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens destinés à prélever séparément des gaz de sommet, des produits de fer en fusion et des scories en fusion à partir du haut fourneau, un convertisseur de gaz comportant un dispositif pour maintenir un lit d'agent réducteur carboné solide chaud et un dispositif pour prélever des matières en fusion à partir de ce convertisseur, un dispositif pour pré lever une partie des produits gazeux de la réduction à partir du haut fourneau et pour envoyer ce produit au convertisseur pour un contact direct avec l'agent réducteur carboné, un dispositif pour prélever des gaz à partir du convertisseur de gaz et un dispositif pour introduire ces gaz prélevés dans chaque tuyère des jeux secondaire et tertiaire de tuyères de haut fourneau en tant qu'agents de réduction gazeux et de commande de processus. 7. Haut fourneau suivant la revendication 6, carac térisé en ce qu'il comprend des moyens pour envoyer les gaz de sommet au convertisseur de gaz et à travers chaque tuyère de celui-ci. 8. Haut fourneau suivant la revendication 6, carac térisé en ce qu'il comprend des moyens pour envoyer des gaz du convertisseur de gaz à chaque tuyère des jeux secondaire et tertiaire de tuyères. 9. Haut fourneau suivant la revendication 6, carac térisé en ce qu'il comprend des moyens pour fournir du CO et d'autres constituants de gaz de fourneau à acier à oxygène basique au convertisseur de gaz. 10. Procédé de traitement de gaz d'échappement provenant de procédés de traitement de fer, caractérisé en ce qu'il consiste à établir un lit d'agent réducteur. carboné solide chaud dans un convertisseur, à ajouter un agent d'oxydation au convertisseur afin de maintenir le lit carboné solide en tant que lit chaud, à conduire les gaz d'échappement contenant du C02 et des particules d'oxyde de fer au convertisseur et en contact avec le lit chaud d'agent réducteur solide carboné, à prélever les gaz réduits à partir du sommet du convertisseur et à prélever du fer en fusion à partir de sa base.