Brevet FR2490242A1 — publié le 19820319

PROCEDE DE REDUCTION CONTINUE DE MATIERES FERRUGINEUSES. La présente invention concerne un procédé de réduction continue de matières ferrugineuses, notamment de minerai de fer sous forme de fines particules. Des fines particules de minerai de fer sont disponibles en grandes quantités et à des prix relativement bas. Ceci résulte de ce que le transport peu coûteux de minerais peut être effectué à l'aide de canalisations si l'on dispose de mine- rais à l'état finement broyé, dont la granulométrie moyenne est d'environ 50p. Les minerais ainsi transportés de façon peu coûteuse doivent ensuite être con- vertis sous une forme qui permette leur traitement métallurgique ultérieur, ce qui signifie qu'ils doivent être transformés en pellets ou granules avant ce traitement ultérieur. La granulation constitue, du fait qu'on doit assurer la cal- cination des granules, une opération relativement coûteuse, de sorte que le béné- fice obtenu grâce au transport peu coûteux est à nouveau perdu par suite de la conversion obligatoire des minerais en pellets. On a effectué de nombreux essais pour réduire en continu des minerais-, mais ces essais ont été principalement réalisés sur des minerais se présentantsous formE de grains grossiers ou de morceaux, car il est très difficile de réduire en continu des minerais de fer finement divisés, ceci indépendamment du fait que l'on effectue la réduction en phase solide ou en phase liquide. On connaît des procédés de réduction directe mis en oeuvre en phase solide et, par exemple, dans des fours tubulaires tournants. Ainsi, le brevet britannique N0 1 358 780 décrit un procédé suivant lequel on réduit du minerai de fer par insufflation de gaz naturel en-dessous d'une masse de minerai. Les fumées ainsi produites sont mélangées avec de l'air et sont brûlées au-dessus du lit de minerai. Les matières ferrugineuses sont constitués de morceaux de minerai, de granules ou pellets de minerai et, le cas échéant, également de granules frittés. Dans les procédés de réduction directe dans un four tubulaire tournant, aussi bien les matières ferrugineuses que l'agent réducteur, pour autant qu'il ne s'agisse pas de gaz réducteurs, doivent se présenter sous forme de morceaux ou fragments, En fait, on doit éviter que, sous l'action de soufflage exercé par les flammes, les matières introduites, notamment les matières qui sont déjà réduites ou pré-réduites, soient projetées hors du four tournant, et s'accumulent sur les filtres. Pour cette raison, lors du choix de la matière première sous forme de morceaux, on tient compte également de ses caractéristiques de résistance mécanique à haute température. Or, des minerais ou du charbon en morceaux qui présentent la résistance re- quise aux températures élevées, sont rares et par conséquent coûteux. La conver- sion des fines particules de minerais en granules est également une opération coûteuse, car le fonctionnement des installations de granulation entraîne des frais assez élevés. Pour ce qui concerne la réduction dans la phase liquide, la Demanderesse a décrit dans son brevet luxembourgeois N0 71 435 un procédé de fabrication de fonte liquide, qui implique simultanément l'obtention d'un mélange gazeux des- tiné à la pré-réduction du minerai introduit. Une matière carbonifère est injectée à l'aide d'un gaz porteur dans une première zo'ne d'un bain de fer, en profondeur, le carbone étant fixé sur le fer et le bain subissant une carburation contrôlée. Dans une zone adjacente du bain soumis à un brassage constant, on assure l'éli- mination de l'excès de carbone par oxydation à l'aide d'oxygène insufflé et on le convertit en oxyde de carbone, tandis qu'on envoie le minerai, au moins par- tiellement pré-réduit par les gaz de réduction dégagés, dans une chambre de réaction placée en aval de la zone de réaction exothermique, ce qui produit une fusion dudit minerai. Lors de la mise en pratique de ce procédé, il est évidemment nécessaire d'utiliser une lance d'insufflation de matière contenant du carbone, ce qui engendre des frais élevés. En outre, il est à noter que, au cours du processus, des gaz très chauds sont dégagés, dont la température est d'environ 14500C. Si on désire utiliser ces gaz pour une pré-réduction du minerai, il faut alors prévoir un étage de refroidissement. Il est également recommandé d'effectuer un dépoussiérage des gaz. L'invention a par conséquent pour but de fournir un procédé qui permette de réduire des fines particules de matière ferrugineuse peu coûteuses à l'aide d'a- gents réducteurs solides et peu coûteux, et qui puisse non seulement fonctionner dans le cadre d'une réduction en phase solide mais également dans le cadre d'une réduction en phase liquide et, notamment dans ce dernier cas, de transformer en avantages les inconvénients résultant des températures élevées des gaz dégagés. Ce résultat est atteint grâce au procédé selon l'invention, qui est remar- quable notamment en ce qu'on chauffe des fines particules de minerai ainsi que du charbon finement broyé dans une proportion de 2/1 à 5/1 séparément dans un réacteur à l'aide de gaz chaud, en ce qu'on mélange les composants chauds à une température du mélange comprise entre 470 et 5300C, en ce qu'ensuite on le transforme à chaud en briquettes, et ence qu'on soumet les briquettes chaudes à des températures suffisamment élevées pour que, d'une part, l'oxyde de fer soit réduit et que, d'autre part, il se dégage de l'oxyde de carbone gazeux, qu'on brûle par introduction contrôlée d'oxygène. Selon l'invention, on peut mélanger des fines particules de minerais avec de la houille se ramollissant, devenant collante et servant de liant ainsi qu'ad- ditionnellement avec des substances carbonifères ne se ramollissant pas, comme de la houille à bas point de volatilisation, du poussier de coke, du coke de basse carbonisation à fine granulométrie et/ou du coke de pétrole. On peut également utiliser de la houille non-collante que l'on additionne de brai comme liant. Selon l'invention, les fines particules de minerais ainsi que, le cas échéant, les substances carbonifères non ramollissables, sont portés, avant le mélange avec la fraction de houille ramollissable et devenant collante et avant le bri- quetage, à une température supérieure à la température de briquetage, tandis que la houille se ramollissant et devenant collante est portée à une température qui est inférieure au point de ramollissement de la houille. Les températures des composants sont établies avant l'opération de mélange de manière telle que la température résultante du mélange corresponde à la température désirée de brique- tage. Le briquetage est effectué avantageusement dans une presse à cylindre dont la pression de travail est comprise entre 1 et 5 kg/cm de largeur de cylindre. Les briquettes obtenues peuvent, à la sortie de la presse à cylindre, être maintenues pendant un temps assez long, d'au moins 30 minutes, dans la zone de la température de pressage en vue de subir ainsi une solidification addition- nelle. Suivant un autre mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, les produits à presser sont chargés à chaud. De cette manière, on économise le refroidissement qui serait autrement nécessaire et la chaleur sensible des pro- duits pressés n'est pas perdue. Conformément à un premier mode de mise en pratique du procédé selon l'inven- tion, les briquettes chaudes sont chargées dans un four tubulaire tournant con- ventionnel à l'extrémité de sortie duquel il est prévu au moins un brûleur qui établit, au début du processus, la température de démarrage nécessaire et qui compense des fluctuations de températures se produisant éventuellement au cours de l'opération. Du fait que, comme indiqué ci-dessus, il se dégage pendant le processus de réduction de l'oxyde de carbone qui doit servir à chauffer le four, le four tubulaire tournant est équipé de buses périphériques qui servent à établir une alimentation contrôlée en air frais. Le processus de réduction proprement dit est produit en majeur partie par la réaction avec la matière carbonée solide. Les produits obtenus lors de la mise en pratique du procédé selon l'invention sont constitués par de la mitraille fine et du poussier de coke. La mitraille fine obtenue peut ensuite être traitée métallurgiquement sans qu'on ait à effectuer des prises d'échantillons, des analyses et des triages coûteux, comme c'est le cas lorsqu'on utilise de la mitraille métallique classique. Les températures régnant lors du traitement métallurgique des briquettes dans le four tubulaire tournant provoquent évidemment une certaine perte de résistance; cependant, le charbon formant le liant se convertit simultanément en une structure stable constituée par du coke et qui contrebalance cette perte de résistance. Dans le processus de réduction directe en four tubulaire tournant, le carbone se formant à partir du liant est utilisé comme un support de chaleur et un agent de réduction. Selon un autre mode d'application du procédé de l'invention, on charge les briquettes chaudes dans un convertisseur qui contient un bain de fer dont la teneur en carbone est aussi élevée que possible et qui est décarburé de façon continue par insufflation d'oxygène, le bain pouvant être balayé simultanément par insufflation d'un gaz inerte par le fond du convertisseur. Par suite de la teneur élevée en carbone du bain de fer, les briquettes pé- nétrent, immédiatement lors de leur arrivée à la surface du bain, dans un milieu fortement réducteur et ceci indépendamment de l'existence de laitier et de la quantité de laitier pouvant se trouver sur le bain. En pratique, on peut admettre qu'une fraction, sinon la majeure partie des réactions métallurgiques, se dérou- lent lors de l'affinage à l'intérieur du laitier, ce qui semble par ailleurs étayé par le fait qu'il existe toujours dans le laitier d'un convertisseur des granules métalliques à base de fer. Pour cette raison, il est évident que le jet d'oxygène auquel on soumet le bain, n'a pas d'effet perturbateur condui- sant à l'oxydation du carbone des briquettes avant l'introduction desdites bri- quettes dans le bain mais, au contraire, que le bain est précisément soumis par le jet d'oxygène à un brassage suffisamment intense pour que les briquettes parviennent dans la couche tourbillonnante formée par le laitier et le fer et o se produit effectivement la réduction. On peut admettre que le Fe2O3 contenu dans les briquettes est soumis à une pré-réduction par le carbone des briquettes conformément à la réaction Fe203 + C = 2 FeO + CO. tandis que le FeO se trouvant dans le bain est con- verti par le carbone du bain en la phase métallique, conformément à la réaction FeO + C = Fe + CO. Il est indifférent que cela se produise effectivement ou non, à condition que l'on veille, du fait de l'addition des briquettes, à ce qu'une quantité de carbon toujours suffisante soit introduite dans le bain pour garantir que celui-ci reste saturé en carbone autant qu'il est possible; ce résultat est d'autant mieux obtenu que l'alimentation en énergie s'effectue dans la phase finale par la combustion de carbone. Le procédé selon l'invention permet la fabrication continue de fer à l'état liquide par introduction, par chargement permanent de briquettes, de carbone en continu dans le bain et on assure ainsi la saturation de ce dernier. Simul- tanément, on réduit de façon continue du minerai finement divisé en fer et on fournit de l'énergie au bain en assurant la combustion du carbone par insuffla- tion d'oxygène. Cette combustion peut évidemment être effectuée également de façon discontinue, auquel cas l'intensité et la durée de l'alimentation en oxy- gène sont fonction de la température régnant dans le bain et de la teneur en carbone de ce dernier. On peut évaluer ces paramètres par une analyse des gaz dégagés, ou bien par un échantillonnage convenable. On peut également assurer un brassage du bain par un gaz inerte passant au travers du fond du convertisseur, ce qui permet, par variation de l'intensité de balayage, d'agir sur l'épaisseur et, également, sur la consistance de la couche de laitier, comme cela a été décrit dans le brevet de la Demanderesse LU 81 207. En fait, un balayage intense avec un gaz inerte conduit à une désagré- gation de la mousse de laitier alors que, par contre, lors d'une diminution du balayage, il peut se former une couche épaisse de laitier mousseux. Lors du balayage, il se produit du laitier en couche mince ne moussant pas; on favorise la décarburation ainsi que la post-combustion de l'oxyde de carbone sur la surface du bain. Cela est particulièrement important pour le procédé selon l'in- vention, car la zone se trouvant au-dessus du bain ne doit pas comporter une quantité excessive d'oxygène et, d'autre part qu'il doit régner en cet endroit des températures élevées. Par le balayage avec un gaz inerte, on peut établir, conformément à la pré- sente invention, les conditions favorables pour une addition des briquettes car ces briquettes sont chauffées suffisamment au-dessus du bain et qu'il ne se produit pas de contact excessif avec l'oxygène, ni au-dessus du bain ni à l'in- térieur de la couche de laitier, de sorte que la réduction peut se dérouler sans perturbations importantes. Selon un mode avantageux de mise en oeuvre du procédé de l'invention, on fait passer les gaz chauds formés lors de la décarburation du bain, en vue de l'exploitation de leur chaleur sensible et de leur potentiel énergétique de combustion, dans l'installation o s'effectuent l'échauffement du minerai et du charbon ainsi que le briquetage. Un autre mode de réalisation de l'invention consiste à utiliser les fumées dégagées comme gaz de chauffage ou comme gaz de réduction. En fait, les fumées contiennent jusqu'à environ 75% de CO, le reste étant formé de C02 et de N2. Il est important que, pour ce qui concerne le processus de décarburation on tienne compte du fait qu'il peut se trouver dans les substances carbonifères utilisées, des quantités plus ou moins grandes de soufre. Pour cette raison, on ajoute, comme cela est connu, des agents formateurs de laitier, de manière à obtenir un laitier basique, bien fluable et agissant principalement dans un sens de désulfuration. Les agents formateurs de laitier peuvent être introduits séparément dans le bain, ou bien également, sous la forme de constituants des briquettes. Il est en outre à noter que le procédé selon l'invention ne convient pas exclusivement pour la réduction de matières à base de fer oxydées, mais qu'il est également possible d'utiliser, à la place de minerai finement divisé, des poussières ou des produits frittés contenant du fer dans le sens d'une récu- pération ou d'une réduction de la pollution de l'environnement. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé de réduction continue de matières contenant du fer, notam- ment de minerai de fer à fine granulométrie, caractérisé en ce qu'on chauffe de fines particules de minerai ainsi que du charbon broyés utilisés dans une proportion de 2/1 à 5/1, séparément dans un réacteur à l'aide de gaz chaud, en ce qu'on mélange les composants chauds à une température du mélange comprise entre 470 et 5300C, en ce qu'ensuite on le transforme à chaud en briquettes, et en ce qu'on introduit les briquettes chaudes dans un milieu o on les porte à des températures suffisamment élevées pour que, d'une part, l'oxyde de fer soit réduit et que, d'autre part, il se dégage de l'oxyde de carbone gazeux, qu'on brûle par introduction contrôlée d'oxygène. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on mélange le minerai finement divisé, avant l'opération de mélange avec de la houille collante, avec des pourcentages appropriés de substances contenant du carbone, ne ramol- lissant pas, telles que de la houille à bas point d'ébullition du poussier de coke, du coke de basse carbonisation et du coke de pétrole. 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on ajoute au minerai finement divisé, avant le mélange avec de la houille non-collante, des pourcentages appropriés de brai servant de liant. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, avant le mélange avec la houille, on porte le minerai finement divisé, ainsi que les additifs contenant du carbone, à une température qui est supérieure à la température de briquetage. 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, avant le mélange avec la fraction de minerai et avant la transformation en briquettes, on porte la fraction de houille à une température qui est infé- rieure au point de ramollissement de la houille. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, avant l'opération de mélange, on règle la température des composants de manière à obtenir comme température résultante du mélange la température désirée de briquetage. 7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on charge les briquettes chaudes dans un convertisseur contenant un bain de fer, en ce qu'on effectue la décarburation du bain par insufflation d'oxygène, en ce qu'on assure le balayage du bain éventuellement par insufflation d'un gaz inerte au travers du fond, et en ce qu'on collecte les fumées chaudes formées lors de la décarburation du bain. 8.- Balayage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, pendant la décarburation, on assure le balayage contrôlée du bain 24 902 42 avec un gaz inerte et en ce qu'on règle l'intensité de balayage de manière à favoriser la décarburation du bain ainsi que la post-combustion de l'oxyde de carbone alors formé sur la surface du bain afin d'obtenir sur le bain une couche mince de laitier non-moussant. 9.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on utilise la chaleur sensible ainsi que la chaleur de combustion des gaz formés lors de la décarburation du bain, en canalisant ces gaz, en vue du chauffage du mélange formé de houille et de minerai, dans les réacteurs inté- ressés. 10.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'on utilise les fumées dégagées lors de la décarburation du bain comme gaz de combustion. 11.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'on utilise les fumées formées lors de l-a décarburation du bain comme gaz de réduction. 12.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'on charge les briquettes chaudes dans un four tubulaire rotatif dans le- quel on maintient la haute température requise par combustion de l'oxyde de carbone gazeux formé lors de la réduction avec l'oxygène de l'air.