Brevet FR2463811A1 — publié le 19810227

- 1 - rocédé et appareil pour chauffer électriquement un haut fourneau La présente invention se rapporte à un fourneau pour réduire une matière ferreuse et concerne plus particulièrement un haut fourneau pour réduire un minerai en un métal et a plus particu- lièrement pour objet un dispositif de chauffage à arc électri- que pour un tel haut fourneau. L'augmentation rapide des prix du coke métallurgique a amené la sidérurgie à envisager la possibilité de chauffer électri- quement les hauts fourneaux. Cette solution est particulière- ment attrayante pour les industries productrices d'acier qui ont traditionnellement utilisé du coke et qui sont situées dans des régions o le prix de l'électricité est stable et o sont disponibles des sources à bon marché d'agents réducteurs, par exemple de gaz naturel, d'huile minérale, et autres. Selon la présente invention, un four pour réduire une matière ferreuse en un métal comprend une enveloppe réfractaire tubu- laire verticale formant une.zone de réduction et un creuset, cette enveloppe étant adaptée à contenir une charge de matière ferreuse, des moyens pour injecter un mélange gazeux dans la zone de réduction et comprenant au moins un dispositif de chauf- fage à arc, le dispositif de chauffage à arc comportant des électrodes cylindriques espacées axialement formant entre elles un étroit intervalle et qui sont adaptées à être connectées à une source d'énergie électrique afin d'y produire un arc, les- dites électrodes formant une chambre d'arc et l'une d'entre elles traversant l'enveloppe réfractaire pour établir une com- munication entre la chambre d'arc et ladite zone, des moyens communiquant avec l'intervalle pour introduire dans celui-ci un gaz réducteur choisi dans le groupe comprenant les hydro- carbures gazeux, les gaz de pétrole et leurs mélanges, dans la chambre d'arc afin de former un courant de gaz chauffé par l'arc, et des seconds moyens pour introduire une certaine quan- tité d'un gaz contenant de l'oxygène dans le courant de gaz chauffé par l'arc, dans une proportion sensiblement égale à celle nécessaire pour produire un mélange stoéchiométrique avec le gaz réducteur et la matière ferreuse afin de produire une quantité maximale de monoxydes de carbone pour réduire la ma- tière ferreuse en un métal élémentaire. L'invention comprend aussi un procédé pour diriger un fourneau destiné à réduire une matière ferreuse qui consiste à utiliser une enveloppe réfractaire tubulaire verticale formant une zone de réduction et un creuset adapté à contenir une charge compre- nant une matière ferreuse, à monter un dispositif de chauffage à arc sur l'enveloppe et comportant des électrodes cylindriques espacées axialement formant entre elles un étroit intervalle et produisant une chambre d'arc, à étendre l'une des électrodes dans l'enveloppe pour établir une communication entre la cham- bre d'arc et la zone de réduction, à injecter dans l'intervalle un gaz réducteur choisi dans le groupe comprenant les hydro- carbures gazeux, les gaz de pétrole et leurs mélanges, dans la chambre d'arc afin de former un courant de gaz allongé chauffé par l'arc s'étendant vers l'aval dans ladite électrode, à in- troduire un gaz contenant de l'oxygène dans le courant de gaz chauffé par l'arc dans une proportion suffisante pour produire une quantité maximale de monoxydes de carbone pour effectuer la réduction de la matière ferreuse en métal élémentaire. De préférence, les électrodes forment une chambre d'arc et l'une d'entre elles traverse l'enveloppe réfractaire et établit une communication entre cette chambre et ladite zone, les moyens d'introduction de gaz communiquant avec l'intervalle afin d'introduire dans celui-ci un gaz réducteur choisi dans le groupe comprenant les hydrocarbures gazeux, les gaz de pé- trole et leurs mélanges, afin de former un courant de gaz chauffé par l'arc, des seconds moyens étant prévus pour intro- - 3 - duire une certaine quantité d'un gaz contenant de l'oxygène dans le courant de gaz chauffé par l'arc dans une proportion généralement égale à celle nécessaire pour produire un mélange stoéchiométrique avec le gaz réducteur et avec les agents ré- ducieurs du minerai pour produire une quantité maximale de monoxydes de carbone afin d'effectuer la réduction du minerai métallique en métal élémentaire, trois électrodes cylindriques étant prévues dont chaque paire voisine est séparée par un étroit intervalle, les électrodes d'amont et d'aval étant mises à la terre, tandis que l'électrode intermédiaire est portée à un potentiel électrique, les seconds moyens d'entrée de gaz comprenant une structure de tourbillonnement communiquant avec l'extrémité d'amont de la chambre d'arc afin d'imprimer un mouvement en spirale au courant de gaz traversant la chambre d'arc, le gaz contenant de l'oxygène étant préchauffé à une température d'environ 500 à 13000C. L'avantage de l'agencement de l'invention est de réduire sensi- blement la consommation de coke du haut fourneau en injectant dans le dispositif de chauffage à arc un gaz comprenant un mélange de CO, H2 et N2 qui, est porté à une température com- prise entre environ 1800 et 28000C à son entrée dans la zone du haut fourneau o se déroule la réaction réductrice. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressorti- ront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, en référence au dessin annexé, dans lequel: - la figure t est une coupe verticale à travers un ha-ut fourneau pour la production de fonte; - la figure 2 est une coupe verticale à travers un dispositif de chauffage électrique à arc monophasé comportant une élec- trode d'aval traversant le garnissage du haut fourneau; -4 - - la figure 3 est une coupe verticale suivant la ligne III-III de la figure 2; et, - la figure 4 est une vue en élévation, partiellement en coupe, montrant la manière dont un dispositif de chauffage à arc triphasé peut être utilisé pour introduire un gaz réducteur chauffé dans un haut fourneau, selon un autre mode de réalisation de l'invention. En se référant à la figure 1, on voit un haut fourneau 5 qui comprend une enveloppe tubulaire verticale 7 supportée sur une base 9 et renfermant une zone de réduction supérieure 11 et un foyer 13. Le haut fourneau 5 comprend également un étalage 15 entre la zone de réduction 11 et le creuset 13 et qui constitue la partie inférieure de la zone de réduction o des moyens, tels que des tuyères 17, sont disposés pour introduire les gaz réducteurs dans le haut fourneau. L'enveloppe tubulaire 7 com- prend une paroi extérieure 19 et un garnissage réfractaire 21. La partie supérieure de l'enveloppe 7 est tronconique et est fermée, à son extrémité supérieure, par un couvercle 23 en forme de cloche qu'on ouvre pour introduire la charge 25. Les gaz sortant du haut fourneau passent par une sortie 27 qui les dirige vers des installations annexes, telles que des récupéra- teurs de chaleur. La charge 25 du haut fourneau se compose principalement de minerai de fer, de chaux et de coke, matières qui descendent à contre-courant par rapport aux gaz qui s'élè- vent dans le haut fourneau, jusqu'à ce qu'elles arrivent à l'étalage 15 qui est la zone dans laquelle règne la température la plus élevée et o se produit la plus grande partie dé la réduction du minerai en métal élémentaire, lequel s'écoule dans le creuset 13 duquel il est soutiré de temps en temps.- Le haut fourneau 5 comporte également une conduite 29 qui per- met d'alimenter en gaz un certain nombre de tuyères 17 qui sont reliées à cette conduite ou à un collecteur 29 par des tuyaux - 5 , un pour chaque tuyère 17. Le haut fourneau 5 a été représenté et décrit comme étant utilisé pour transformer du minerai de fer élémentaire, mais il est bien évident que celui-ci ou bien un four similaire peut, en y apportant quelques modifications, être utilisé pour ré- duire chimiquement d'autres minerais métalliques, par exemple de cuivre, de plomb, d'étain ou de zinc- Selon l'invention, un dispositif de chauffage électrique à arc 33 (fig. 2) est prévu à l'emplacement de chaque tuyère 17. Le dispositif de chauffage à arc 33 est du type de celui décrit dans le brevet américain 3 663 792. Le dispositif de chauffage à arc 33 est un dispositif à courant alternatif monophasé, à auto-stabilisation, capable d'atteindre des niveaux de puis- sance d'environ 3500 kilowatts et pouvant s'élever jusqu'à 000 kilowatts pour une installation triphasée comme celle représentée sur la figure 4. Le dispositif de chauffage à arc 33 comprend trois électrodes , 37, 39 espacées longitudinalement entre lesquelles sont ménagés, respectivement des intervalles annulaires 41 et 43. L'électrode intermédiaire 37 est reliée à la phase, tandis que l'électrode d'aval 39 est à la terre. L'électrode d'amont 35, également appelée "électrode de garde" est à la terre et est interposée entre l'électrode de phase 37 et les autres parties de la structure du haut fourneau,telles que la chambres de tur- bulence ou "cyclone" 45 prévue à l'extrémité inférieure du tuyau 31. En l'absence de l'électrode de garde 35, on aurait été obligé de prévoir des moyens compliqués d'isolation élec- triques et thermiques entre l'électrode 37 et la chambre 45. Bien qu'un tel mode de construction soit possible, auquel cas le dispositif de chauffage à arc 33 ne comporterait que deux électrodes 37, 39, il est plus pratique de prévoir la troi- sième électrode 35 qui, comme l'électrode d'aval 39, est mise à la terre. Les électrodes tubulaires alignées 35, 37 et 39 forment une chambre d'arc 47 ayant une ouverture d'amont 49 et une sortie d'aval 51. La chambre d'arc 47 communique avec la chambre de turbulence 45 dans laquelle un gaz oxygéné, tel que l'air, est introduit sous pression par le tuyau 31 à partir de la con- -duite 29 (figo 1). La communication entre l'extrémité infé- rieure du tuyau 31 et la chambre 45 se situe à une position excentrique de sorte que l'air comprimé du conduit 29 qui entre dans la chambre 45 est soumis à un mouvement tourbillonnaire, comme l'indique la flèche 53 (figs. 2 et 3) avant d'entrer dans la chambre d'arc 47, ce qui a pour effet de forcer l'air contre les parois des électrodes 35, 37 et 39 et d'éviter la formation de certains dépôts, par exemple de carbone, sur ces parois. Les intervalles annulaires 41 et 43 sont reliés à des conduits (non représentés) permettant d'introduire un gaz réducteur dans la chambre d'arc 47. Ce gaz réducteur est choisi dans le groupe comprenant les hydrocarbures gazeux, les gaz de pétrole et leurs mélanges. Comme exemple d'un tel gaz d'hydrocarbure, on peut citer le méthane, CH4. Ce gaz est comprimé à une pression d'environ 2 à 10 bars et peut être préchauffé à une température comprise entre environ 20 et 2000C. Du fait de la pression du gaz entrant par les intervalles 41 et 43, des arcs électriques et 57 s'allument et s'allongent comme représenté sur la figure 2. Pour que le système soit économiquement viable, on préchauffe le gaz carboné à une température comprise entre environ 500 et 13000C dans les récupérateurs de préchauffage du haut fourneau. Des appareils classiques, chauffés extérieurement, ne peuvent pas être utilisés car la température maximale de fonctionnement se situe entre environ 900 et 1000C. En effet, il convient d'éviter de préchauffer l'air et le gaz à des températures plus élevées afin d'éviter que l'intégrité de l'isolation électrique soit mise en cause du fait de la présence de gaz d'entrée ayant des températures excessives. belon l'invention, ce gaz de réduction est produit à des tempé- ratures comprises entre 980 et 15400C sous la forme d'un mé- lange avec de l'air et il est chauffé par les arcs 55 et 57. Ce gaz est produit à partir d'un mélange d'air et d'un hydro- carbure, tel que du gaz naturel, qui exige l'addition d'une quantité appréciable d'énergie, notamment d'environ 76 kcal par mole de CH4. La réaction est la suivante: CH4 + 2,38 (0,21 02 + 0,79 N2)-> CO + 2 H2 + 1,88 N!2 (+76kcal). La consommation d'énergie est estimée en se basant sur: (1) des proportions stoéchiométriques, (2) une température initiale de CH4: 200C, (3) une température initiale de l'air: 5000C, et, (4) une température de sortie: 24000C. Le mode de réalisa- tion monophasé de l'invention représenté sur la figure 2 com- prend l'électrode allongée d'aval 39 qui comporte une chemise de refroidissement par circulation d'eau 59. Elle peut être directement introduite dans la tuyère 17, dont elle fait ainsi partie. L'électrode d'aval 39 fait partie des trois électrodes tubulaires axiales 35, 37, 39 qui sont séparées par deux inter- valles isolants 41 et 43 par lesquels on introduit les hydro- carbures, tels que le gaz naturel, à une vitesse élevée. L'électrode centrale 37, qui est connectée à la phase de la source électrique de haute tension, coopère avec les deux électrodes d'extrémité 35, 39 qui sont reliées à la borne de terre. Ainsi, les deux extrémités du dispositif de chauffage à arc sont connectées à l'équipement de traitement, l'électrode d'aval étant connectée au haut fourneau, tandis que l'électrode d'amont est reliée à la source par laquelle arrive l'air pré- chauffé, telle que la conduite 29. Un autre mode de réalisation de l'invention, représenté sur la figure 4, utilise un système de chauffage à' l'arc triphasé pour produire le gaz de traitement dans les conditions imposées. Dans ce mode de réalisation trois dispositifs de chauffage à 246-3811 - u - arc, ayant deux électrodes disposées axialement 61 et 63, sont séparés par un intervalle 65 analogue à l'intervalle 43 de la figure 2. Chaque dispositif de chauffage à arc 67, dont deux sont représentés sur la figure 4, comprend des électrodes d'aval 63 qui sont allongées et qui traversent une paroi ré- fractaire 69 pour entrer dans une chambre à air 71 qui es! axialement alignée avec une ouverture de la paroi du four et qui peut être utilisée conjointement avec une tuyère classique, telle que la tuyère 17 de la figure 2. Lorsque le système tri- phasé considéré utilise une chambre à air 71 refroidie par une circulation d'eau, l'air est introduit d'une conduite 29 par une entrée 73 et se mélange avec le gaz hydrocarboné contenu dans la chambre 71. La manière dont le système triphasé de dispositifs de chauffage à arc 67 opère est décrite dans le brevet américain 4 013 867. De la meme manière que dans le mode de réalisation monophasé de la figure 2, un gaz naturel ou un autre hydrocarbure gazeux est injecté par les intervalles 65 dans les trois dispositifs de chauffage à, arc 67 et se mélange avec l'air contenu dans la chambre 71. L'air entrant dans ces dispositifs arrive à une température maximale d'environ 2000C, mais ne représente pas plus d'environ 25 elb de la consommation totale d'air, de sorte que les effets nuisibles sur l'efficacité du procédé sont ré- duits. L'air préchauffé est introduit axialement par la chambre à air 71 qui, du point de vue électrique, est à la terre, chan- bre dans laquelle se produit le mélange et la réaction chimique ultérieure, produisant ainsi le gaz de traitement ayant la température voulue, lequel est ensuite injecté par la tuyère 17 du haut fourneau. On évite des pertes de chaleur excessives en prévoyant des isolations réfractaires, par exemple d'alumine, de magnésie ou de zircone sur les parois de la chambre. Bien que des arcs puissent s'amorcer entre chaque paired'élec- trodes du mode de réalisation de la figure 2, il est extr8ne- ment probable qu'une voie d'amorçage primaire existe entre les électrodes d'aval du fait de la vitesse axiale élevée des gaz. Plusieurs moyens sont prévus pour amorcer un arc entre l'élec- trode centrale et l'électrode d'aval 63. Ces moyens comprennent (1) un contrôle des dimensions relatives de l'intervalle de stabilisation, en prévoyant un intervalle plus étroit à l'élec- trode d'aval afin que l'arc s'établisse initialement à celle-ci, (2) un contrôle des débits relatifs des gaz dans chaque inter- valle et (3) un contrôle des intensités relatives des champs magnétiques par des connexions série/parallèle des bobines de champ ou par un réglage du nombre des spires de ces bobines. La diminution du débit des gaz et l'intensité du champ électri- aue à l'intervalle d'aval a également pour effet d'amorcer et de faire éclater un arc entre la paire d'électrodes préférées. On sait qu'on peut améliorer le rendement thermique et la ten- sion de l'arc dans les dispositifs de chauffage à arc à auto- stabilisation en prévoyant une grande composante tangentielle du courant de gaz. Cette amélioration des performances, compa- rativement à la technicue antérieure, peut être réalisée par une section d'entrée tangentielle se fixant à l'électrode d'amont. Le vortex serait renforcé en introduisant le gaz natu- rel dans les intervalles des électrodes par des anneaux de giration soniques. Dans les hauts fourneaux industriels, on utilise de nombreuses tuyères, leur nombre pouvant n'être que de trois dans le cas des très petits hauts fourneaux pour atteindre plus de quarante dans les très grandes installations. Dans les cas o l'on peut utiliser des tuyères à gaz chauffées par un arc électrique, on peut adopter une procédure à transfert d'arc. Dans ce cas, il convient d'utiliser des électrodes d'aval aussi courtes que possibles et les racines des arcs d'aval sont implantées sur le bain de métal en fusion. Le trajet du courant électrique est alors complété par l'arc entre la fonte et les électrodes 24638 11 - 10 - d'amont des dispositifs de chauffage connectées aux phases restantes du système électrique. Ce mode de fonctionnement a l'avantage d'améliorer le rendement thermique du fait de la réduction des pertes de chaleur aux électrodes d'aval0 Bien qu'étant principalement conçue pour les hauts fourneaux, on comprend aisément que cette invention se prête à d'autres applications, en particulier dans les unités de traitement à haute température qui exigent que des tuyauteries soient rac- cordées aux deux électrodes d'un dispositif de chauffage à arc, par exemple, dans les cubilots et dans d'autres processus métallurgiques faisant intervenir des réactions réductrices. hiVENi JI CAk' I OXS 1. Haut fourneau pour réduire une matière ferreuse en un métal qui comprend une enveloppe réfractaire tubulaire verticale formant une zone de réduction et un creuset, cette enveloppe étant adaptée à contenir une charge de matière ferreuse, des moyens pour injecter un mélange gazeux dans la zone de réduc- tion et comprenant au moins un dispositif de chauffage à, arc, le dispositif de chauffage à arc comportant des électrodes cylindriques espacées axialement formant entre elles un étroit intervalle et qui sont adaptées à être connectées à une source d'énergie électrique afin d'y produire un arc, lesdites élec- trodes formant une chambre d'arc et l'une d'entre elles traver- sant l'enveloppe réfractaire pour établir une communication entre la chambre d'arc et ladite zone, des moyens communiquant avec l'intervalle pour introduire dans celui-ci un gaz.réduc- teur choisi dans le groupe comprenant les hydrocarbures gazeux, les gaz de pétrole et leurs mélanges, dans la chambre d'arc afin de former un courant de gaz chauffé par l'arc, et des seconds moyens pour introduire une certaine quantité d'un gaz contenant de.l'oxygène dans le courant de gaz chauffé par l'arc, dans une proportion sensiblement égale à celle nécessaire pour produire un mélange stoéchiométrique avec le gaz réducteur et la matière ferreuse afin de produire une quantité maximale de monoxydes de carbone pour réduire la matière ferreuse en un métal élémentaire. 2. Haut fourneau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz réducteur est un hydrocarbure gazeux. 3. Haut fourneau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le gaz contenant de l'oxygène est l'air. 4. Haut fourneau selon l'une quelconque des revendications 1 à, 3, caractérisé en ce que la matière ferreuse est un minerai de fer. - 12 - 5.!Haut fourneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend trois électrodes cylindri- ques, chenoue paire voisine d'électrodes étant séparée par un étroit intervalle. 6. Haut fourneau selon la revendication 5, caractérisé en ce que les électrodes d'amont et d'aval sont mises à la terre, tandis que l'électrode intermédiaire est portée à un certain potentiel électrique. 7. Haut fourneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les seconds moyens d'entrée de gaz comprennent une structure communiquant avec l'extrémité d'amont de la chambre d'arc et qui est conçue pour imprimer un mouvement tourbillonnaire ou en spirale au gaz traversant la chambre d'arc. 8. Haut fourneau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz contenant de l'oxy- t0 gène est préchauffé à une température d'environ 500 à 13000C. 9. Procédé pour conduire un haut fourneau afin de réduire une matière ferreuse qui consiste à utiliser une enveloppe réfrac- taire tubulaire verticale formant une zone de réduction et un creuset adapté à contenir une charge comprenant une matière ferreuse, à monter un dispositif de chauffage à arc sur l'en- veloppe et comportant des électrodes cylindriques espacées axialement formant entre elles un étroit intervalle et produi- sant une chambre d'arc, à étendre l'une des électrodes dans 0 l'enveloppe pour établir une communication entre la chambre d'arc et la zone de réduction, à injecter dans l'intervalle un gaz réducteur choisi dans le groupe comprenant les hydrocar- bures gazeux, les gaz de pétrole et leurs mélanges, dans la chambre d'arc afin de former un courant de gaz allongé chauffé par l'arc s'étendant vers l'aval&dans ladite électrode, à - 13 - introduire un gaz contenant de l'oxygène dans le courant de gaz chauffé par l'arc dans une proportion suffisante pour produire une quantité maximale de monoxydes de carbone pour effectuer la réduction de la matière ferreuse en métal élé- mentaireo 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on introduit le gaz contenant l'oxygène dans l'extrémité d'amont de la chambre d'arc en lui imposant un trajet tourbillonnaireo 11, Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on chauffe le gaz contenant l'oxygène à une température d'environ 500 à 1300 Co