Brevet FR2493872A1 — publié le 19820514

La présente invention concerne un procédé pour la fabrication d'un métal à partir d'un oxyde métallique à fine granulométrie. Depuis quelques années on a proposé et on est en train d'améliorer plusieurs procédés nouveaux de fabrication d'un métal, principalement de fer brut, à partir d'une matière particulaire contenant de l'oxyde de fer. Une caractéristique commune à plusieurs procédés connus est qu'on réduit partiellement l'oxyde de fer, à un dégré plus ou moins poussé, pendant qu'il est à l'état solide, avant de le faire fondre et de le soumettre à une réduction finale. Un des objectifs recherchés par la Demanderesse est de pouvoir partiellement réduire l'oxyde de fer sans avoir à soumettre la matière à un procédé préalable clas- sique et coûteux de frittage ou de granulation sous vide. A cet égard, on considère que la réduction partielle de l'oxyde de fer dans un lit fluidisé constitue un procédé valable étant donné qu'on obtient ainsi un produit particu- laire que l'on charge ensuite directement au stade de fusion et de réduction finale. Cependant, des concentrés fortement enrichis ainsi que des oxydes de fer renfermant une poudre métallurgique sont beaucoup trop fins pour en permettre sur le plan pratique une réduction partielle satisfaisante dans un lit fluidisé. Il en est partiellement ainsi du fait que la vitesse de fluidisation de la matière fine est tellement faible qu'une grille ayant une surface pratiquement beaucoup trop grande devient nécessaire pour permettre de fournir une quantité adéquate d'un gaz réducteur sans provoquer le "soufflage" de la matière hors du lit et, partiellement, du fait que les fines particules de la matière devant former le lit fluidisé possèdent une grande tendance à l'aggomé- ration, déjà à des températures relativement basses. Par ailleurs, ces matières à grains fins exigent une grille dont les pores sont tellement denses que le gaz fluidisant et réducteur doit être débarrassé très soigneusement de la poussière qu'il contient pour empêcher ainsi le colmatage des pores. Parmi les procédés mentionnés de fabrication de métaux en cours de développement, principalement les pro- cédés de fabrication de fer brut, il convient d'incorporer le procédé de réduction du bain de fusion au plasma (qu'on appelle procédé PSR), selon lequel on réduit partiellement l'oxyde métallique particulaire jusqu'à 60 % en phase solide et ensuite on injecte cette matière ensemble avec les agents de formation du laitier et les agents réducteurs dans une cavité qui forme une zone de réduction à l'état fondu dans une cuve remplie de coke, la matière partiellement réduite étant fondue et finalement réduite alors que l'énergie nécessaire dans ce but est fournie à l'aide d'un brûleur au plasma. Le gaz qui sort de la cuve est à haute température et très riche princi- palement en oxyde de carbone. Ainsi, à ce point de vue, ce gaz convient parfaitement pour effectuer le procédé mentionné de réduction partielle. Une telle réduction partielle peut être exécutée avantageusement dans un lit fluidisé à la condition que la matière particulaire de départ présente une forme appropriée concernant la gros- seur des particules et la distribution granulométrique. Comme il a déjé été dit, des concentrés hautement enrichis et des poudres fines ne se prêtent pas à l'utilisation directe dans le cadre des procédés de réduction qu'on ef- fectue en lit fluidisé, ce qui limite les possibilités d'une utilisation optimale du procédé PSR pour des concen- trés hautement enrichis et d'autres matières de départ à grains fins, parmi lesquels on peut mentionner la poussière provenant des procédés d'affinage à l'oxygène gazeux et, par exemple, la poussière contenant du zinc provenant des fours électriques d'élaboration de l'acier et des hauts fourneaux, lesdits concentrés et poussières pouvant con- tenir, outre un oxyde de Fe, des oxydes de Ni, Co, Cr, Mo, W, Mn et Cu, oxydes qu'on pourrait réduire et récupérer, ou bien sous forme d'une masse fondue dans la cuve précitée ou bien, comme par exemple dans le cas du zinc, sous forme d'un condensé provenant du gaz qui sort de la cuve. Selon un autre procédé également en cours de dévelop- pement, à savoir un procédé allemand, l'oxyde de fer est partiellement réduit en un produit hautement métallisé que l'on charge ensuite par le haut dans un réacteur qui renferme un bain de fusion de fer brut, alors que l'oxygène et le carbone gazeux sont injectés dans la masse fondue à travers la sole de ce réacteur pour produire l'énergie nécessaire à la fusion du produit. Pendant le déroulement de ce procédé, il se forme un gaz chaud renfermant de,' l'oxyde de carbone et de l'hydrogène, qu'on peut utiliser pour la réduction partielle de l'oxyde de fer. En considérant les descriptions actuelles de ce procédé, on a envisagé la fabrication du produit partiellement réduit, à savoir le fer spongieux, en phase solide, par exemple dans des fours classiques à cuves qui exigent cependant comme matière de départ un produit fritté en morceaux, par exem- ple des pastilles frittées, une telle matière de départ étant économiquement désavatageuse pour la mise en oeuvre du procédé. On pourrait réaliser des avantages techniques et économiques considérables si l'on pouvait effectuer au lieu de cela le procédé de réduction dans un lit fluidisé ce qui exclut cependant dans la pratique l'emploi des matières de départ en grains fins ou analogues à une poudre, si l'on applique les techniques connues à l'heure actuelle, pour les raisons mentionnées plus haut. Selon un autre procédé également en cours de dévelop- pement, à savoir ce que l'on appelle le procédé Elred, on réduit partiellement un oxyde de fer finement granulé et ensuite on l'enfourne dans un four à arc à courant continu à travers une électrode creuse, tout en chargeant dans le four un réducteur et des agents de formation du laitier, le four contenant du fer brut à l'état fondu. Dans un tel procédé, on résout le problème associé à la réduction par- tielle de la matière de départ finement granulée en effec- tuant ladite réduction partielle dans des conditions de surpression dans ce que l'on appelle un lit fluidisé en circulation, c'est-à-dire un procédé par lequel on souffle la matière à travers une cuve et hors de celle-ci, cuve qui peut avoir par exemple 25 mètres de hauteur, après quoi on sépare la matière dans des cyclones et on la recycle dans le fond de la cuve de réduction partielle. Un gaz réducteur à la température nécessaire est engendré dans la cuve par soufflagedans cette dernièrede carbone pulvérulent et d'air, ledit carbone étant chargé avec un surplus et à grande vitesse de circulation du gaz, pour empêcher l'effrondement à la température donnée, approxima- tivement 1 2250K. On comprendra aisément que le stade de réduction partielle qu'on utilise dans ce procédé est onéreux du point de vue de la mise de fonds initiale et aussi d'une mise en oeuvre difficile, surtout en raison des problèmes concernant la séparation des matières traitées dans les cyclones. On pourrait bénéficier d'un avantage considérable s'il était possible de réduire l'oxyde de fer finement granulé dans un lit fluidisé ne circulant pas. En outre, le gaz réducteur engendré pendant la fusion et le procédé de réduction finale serait lui-même suffisant pour partiellement réduire la matière de départ de 50 - 60 % sans avoir à produire un supplément de gaz réducteur à partir du carbone. Cependantdans ce casril faudrait fournir une certaine quantité d'énergie électrique d'une source exté- rieure. La présente invention a pour objet un procédé de réduction nouveau et avantageux par lequel on peut supprimer les inconvénients précités et ceci d'une façon simple et économique. Pour réaliser cet objectif, l'invention prévoit un procédé de fabrication d'un métal à partir d'un oxyde métallique à grains fins comprenant l'oxyde de Fe et facul- tativement également les oxydes d'au moins l'un des métaux choisis parmi Ni, Co, Cr, Mo, W, Mn et Cu, comprenant un premier stade de réduction au cours duquel on réduit l'oxyde au moins partiellement dans un état fluidisé à une tempéra- ture d'environ 1 025 à 1 2750K avec un gaz réducteur renfer- 249387f mant de l'oxyde de carbone, facultativement en mélange avec de l'hydrogène, et ensuite un stade de fusion et de réduction finale pour former une masse métallique fondue, avec utilisation pour-le premier stade de réduction d'un gaz réducteur provenant dudit stade de fusion et de réduc- tion finale, caractérisé en ce qu'il consiste à former l'oxyde métallique finement granulé, avant ledit premier stade de réduction, en présence d'humidité et d'un liant, en tourteaux ou fragments profilés dont la dimension dépasse notablement la grosseur maximale désirée pour la fluidi- sation; et à permettre à ces tourteaux ou fragments pro- filés de durcir et ensuite à les désintégrer et à les trier pour obtenir la matière de départ pour ledit premier stade de réduction, cette matière présentant une distribution granulométrique telle qu'elle forme un lit fluidisé qui est sensiblement fixe à la très grande vitesse du gaz nécessaire pour la mise en oeuvre du procédé de réduction sans affaissement à la température choisie pour le premier stade réducteur. Dans ces conditions, on peut obtenir économiquement un lit dans lequel la distribution granulométrique est op- timale sur le plan de la fluidisation et qu'on peut sélec- tionner pour tenir compte de la vitesse requise du gaz et de la quantité du gaz réducteur disponible, pour ainsi supprimer ou réduire au minimum la nécessité de faire cir- culer la matière et le gaz dans l'installation, d'o pos- sibilité de simplifier l'appareillage nécessaire. La structure optimale du lit doit être établie expé- rimentalement dans chaque cas particulier de telle sorte que toute tendance de la matière désintégrée à se tasser d'une façon dense soit supprimée par élimination au cours du stade de triage des particules comprises en dedans d'un intervalle granulométrique donné et par recyclage de ces particules en vue du formage de tourteaux ou de fragments profilés ensemble avec la matière de départ finement gra- nulée. On doit donc assurer que la distribution granulomé- trique de la matière du lit soit différente de ce qu'on appelle la courbe de Fuller. Pour permettre d'effectuer le stade de réduction partielle sans apport de chaleur externe et pour augmenter encore plus la résistance mécanique de la matière désinté- grée et triée, on peut préchauffer d'une façon convenable cette matièreravant le premier stade de réduction, en uti- lisant dans ce but un gaz chaud produit par la combustion du gaz combustible provenant du premier stade de réduc- tion. A ce point de vue, on peut effectuer le stade de préchauffage d'une façon particulièrement avantageuse dans un lit fluidisé.On peut préchauffer la matière désintégrée *et triée à une température approximative à laquelle on effectue le stade de réduction partielle, c'est-à-dire environ 1 025 à 1 2750K,'grâce à quoi on est assuré que le gaz de préchauffage soit suffisamment oxydant pour oxyder et volatiliser les impuretés du type sulfuré ou soufré qu'on trouve dans l'oxyde de départ. On peut séparer les poussières formées pendant le préchauffage et/ou la réduction partielle de la matière au premier stade de réduction, par exemple dans un cyclone, les poussières séparées étant avantageusement recyclées en vue de la formation de tourteaux ou de fragments profilés ensemble avec la matière de départ finement granulée. Grâce à cet expédient, on peut récupérer les poussières d'une façon simple sans avoir à faire circuler la matière solide pendant les stades de réduction partielle et de préchauf- fage et sans avoir à introduire de stade supplémentaire de traitement des poussières. Il va de soi que même les poussières provenant du stade de fusion et de réduction finale peuvent être, le cas échéant, séparées par exemple dans un cyclone et recyclées en vue d'une agglomération ensemble avec la matière de départ finement granulée. L'oxyde de zinc qu'on trouve dans la matière de départ finement granulée n'est pas normalement réduit en métal jusqu'au stade de fusion et de réduction finale mais, au cours de ce dernier stade, le zinc est évaporé ou vaporisé et peut être condensé dans un condenseur classique à zinc installé entre le stade de fusion et de réduction finale et le premier stade de réduction. Tout oxyde de plomb présent est réduit en métal pendant le stade de fusion et de réduc- tion finale et peut être au moins partiellement vaporisé et condensé par la même technique que le zinc. Avantageusement les tourteaux ou les fragments pro- filés peuvent être formés à l'aide d'un liant qui contient des substances souhaitables comme agents de formation de laitier dans le stade de fusion et de réduction finale, ces substances étant choisies de préférence dans le groupe comprenant la chaux brûlée ou éteinte, la dolomite brûlée ou éteinte, le ciment, le laitier de hauts fourneaux, le laitier basique provenant de la fabrication du fer brut et de l'acier, les poussières provenant des procédés d'af- finage d'acier basique et les cendres volantes provenant des procédés de combustion du carbone. La quantité de liant nécessaire est en général d'environ 2 % en poids, bien qu'on puisse utiliser des proportions plus grandes, principalement selon les exigences métallurgiques, par exemple, pour que la matière profilée et durcie renferme toute la quantité nécessaire d'agent formeur de laitier. Comme on le voit à l'examen de ce qui précède, le liant peut être constitué en totalité ou en partie d'une matière telle qu'une poudre ou des cendres volantes que l'on ne pourrait pas utiliser de façon avantageuse pour un usage différent ou dont la présence serait de nature à poser un problème d'évacuation. L'addition de chaux et surtout de la dolomite à titre de liant offre cependant des avantages dus à la formation de laitier basique et de ferrite dans le stade de préchauffage, d'o résistance élevée à la réduction à la température de réduction partielle préconisée et point de fusion plus élevé, de sorte qu'on peut employer et maintenir une tempé- rature élevée et un taux rapide de réduction pendant le stade précité de réduction sans affaissement. Si comme on le préfère, pour former des tourteaux ou des fragments profilés avec la matière de départ fine- ment granulée, on agglomère cette matière entre des rouleaux lisses ou profilés chargés sous pression, on doit assurer que la teneur en humidité (teneur en eau) de la matière de départ corresponde autant que possible à la quantité de l'agent liant employé et à son aptitude d'absorber l'eau. En -mme temps, on doit cependant assurer que la teneur en humidité soit notablement plus faible que le volume des pores des tourteaux et fragments formés par agglomération, de sorte qu'aucune humidité libre ne se retrouve sur les surfaces des agglomérés, ce qui aurait pour effet de rendre l'agglomération plus difficile. Les tourteaux doivent avoir une épaisseur relativement faible, par exemple de 4 à 12 mm, de sorte que le durcissement est relativement rapide. On peut faire durcir les tourteaux ou fragments profilés sur une courroie perméable aux gaz ou en piles ou en tas, à travers lesquels on peut faire circuler de l'air chaud ou des gaz de carneau chauds renfermant de l'anhydride carbonique pour accélérer le procédé de durcis- sement. On peut désintégrer les tourteaux, paillettes ou profilés durcis en utilisant, par exemple, des rouleaux à pointes ou en broyant les agglomérats à l'aide de broyeurs à mors, de broyeurs à rouleaux ou de broyeurs à marteaux, de façon appropriée jusqu'à des particules dont la plus grosse (ou dont la section transversale de la plus grosse) soit comprise entre 6 et 8 mm. Quand on trie les agglomérats désintégrés, les particules plus petites que le minimum désiré, par exemple les particules d'une dimension infé- rieure à 0,2 mm, sont écartées par tamisage et, le cas échéant, dans le cas d'une répartition granulométrique harmonique, une partie ou la totalité des particules com- prises dans un intervalle granulométrique donné est également écartée par tamisage pour rompre la répartition harmonique de sorte que la distribution granulométrique ne suive plus la courbe de Fuller. On peut effectuer avantageusement le stade de fusion et de réduction finale dans un four qui est au moins en partie chauffé électriquement, par exemple un four à induc- tion, un four à arc électrique ou un four électrique à résis- tance pour le laitier, tout en fournissant un agent réducteur tel que le carbone, le coke, le charbon brun, une huile ou un gaz naturel. La proportion de l'agent réducteur doit être calculée de façon appropriée pour que le gaz sortant du four soit en une quantité suffisante et possède un potentiel de réduction suffisant pour réduire la matière au stade de réduction partielle d'environ 50 à % du degré de réduction, de sorte qu'aucun réducteur supplémentaire ne doit être introduit au stade de réduction partielle. Selon un autre mode de réalisation approprié, on effectue le stade de fusion et de réduction finale dans un convertisseur en injectant une matière carbonée et de l'oxygène dans un bain de fusion du métal réduit. Dans ce cas, étant donné qu'aucun courant électrique n'est fourni au stade de fusion et de réduction finale, la matière carbonée est avantageusement introduite en une quantité présentant un tel excès par rapport à l'oxygène que le gaz réducteur engendré dans le convertisseur soit suffisant pour réduire la matière au stade de réduction partielle d'un degré aussi grand que possible, de préférence jusqu'à un minimum d'environ 85 % du degré de réduction. Pour éviter les problèmes des poussières et de mélange, on injecte avantageusement la matière partiellement réduite provenant du stade de réduction partielle dans la masse fondue à l'intérieur du convertisseur ou du four. Selon un autre mode de réalisation préféré, on effectue le stade de fusion et de réduction finale de la matière au moins partiellement réduite au cours du premier stade de réduction, dans une zone à haute température qu'on établit à l'aide d'un brûleur au plasma, dans une cuve de four remplie de coke tout en fournissant un agent réducteur à cette zone. Ainsi il peut être avantageux, ce qui est compris dans l'invention, d'utiliser deux types de liant dont l'un, par exemple la bentonite, le sulfate ferreux, le chlorure de calcium, les molasses, une liqueur de surfate éventuel- 1 0 lement neutralisée, etc., est susceptible d'être lié initialement et de durcir les tourteaux ou fragments profilés à un degré suffisant pour permettre la désinté- gration désirée et la mise en oeuvre du triage tandis que l'autre liant, par exemple un liant hydraulique, est apte à augmenter la résistance des particules pendant les opérations suivantes. Il va de soi qu'on peut apporter diverses modifica- tions aux modes de réalisation qui ont été décrites sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication d'un métal à partir d'un oxyde métallique à grains fins comprenant l'oxyde de Fe et facultativement également les oxydes d'au moins l'un des métaux choisis parmi Ni, Co, Cr, Mo, W, Mn et Cu, com- prenant un premier stade de réduction au cours duquel on réduit l'oxyde au moins partiellement dans un état fluidisé à une température d'environ 1 025 à 1 2750K avec un gaz réducteur renfermant de l'oxyde de carbone, facultativement en mélange avec de l'hydrogène, et ensuite un stade de fusion et de réduction finale pour former une masse métal- lique fondue, avec utilisation pour le premier stade de réduction d'un gaz réducteur provenant dudit stade de fusion et de réduction finale, caractérisé en ce qu'il consiste à former l'oxyde métallique finement granulé, avant ledit premier stade de réduction, en présence d'humidité et d'un liant, en tourteaux ou fragments profilés dont la dimension dépasse notablement la grosseur maximale désirée pour la fluidisation; et à permettre à ces tourteaux ou fragments profilés de durcir et ensuite à les désintégrer et à les trier pour obtenir la matière de départ pour ledit premier stade de réduction, cette matière présentant une distri- bution granulométrique telle qu'elle forme un lit fluidisé qui est sensiblement fixe à la très grande vitesse du gaz nécessaire pour la mise en oeuvre du procédé de réduction sans affaissement à la température choisie pour le premier stade réducteur. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on évite toute tendance de la matière désintégrée à se tasser de façon dense par élimination au stade de triage des particules comprises en dedans d'un intervalle granulométrique donné, on recycle lesdites particules et on forme des tourteaux ou des fragments profilés avec ces particules ensemble avec la matière de départ finement granulée. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'avant la première opération de réduction, on préchauffe l'oxyde métallique désintégré et trié et on le soumet à un supplément de durcissement, de préférence dans un lit fluidisé, tout en utilisant un gaz chaud provenant de la combustion du gaz combustible qui s'échappe du premier stade de réduction. 4 - Procédé selon la revendication 1 ou 3, carac- térisé en ce que les poussières engendrées au cours de l'opération de préchauffage et/ou du premier stade de réduction sont séparées et recyclées pour former des tour- teaux ou des fragments profilés ensemble avec la matière de départ finement granulée. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on utilise un liant contenant des substances utiles au stade de fusion et de réduction finale pour former du laitier, ces substances étant avantageusement choisies dans le groupe comprenant la chaux brûlée ou éteinte, la dolomite brûlée ou éteinte, le ciment, le laitier de haut fourneau, le laitier basique provenant de la fabrication du fer brut ou de l'acier, la poussière provenant de l'affinage de l'acier basique et les cendres volantes provenant des procédés de combustion du carbone. 6 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on forme les tourteaux ou les fragments profilés par agglomération de la matière de départ entre des rouleaux lisses ou profilés chargés sous pression. 7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la quantité d'humidité utilisée est sensiblement plus faible que le volume des pores dans les tourteaux formés par agglomération. 8 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on effectue l'opération de fusion et de réduction finale dans un four qui est chauffé au moins en partie électriquement, par exemple, un four à induction, un four à arc électrique ou un four à résistance pour le laitier, tout en fournissant un agent réducteur tel que le carbone, le coke, le charbon brun, une huile ou un gaz naturel. 9 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on effectue l'opération de fusion et de réduction finale dans un convertisseur en injectant une matière carbonée et de l'oxygène dans le bain de fusion du métal réduit. 10 - Procédé selon la revendication 8 ou 9, carac- térisé en ce qu'on injecte dans ce bain de fusion la matière au moins partiellement réduite formée à la première opé- ration de réduction. 11 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on effectue l'opération de fusion et de réduction finale de la matière au moins partiellement réduite à la première opération de réduction dans une zone à haute température qu'on établit dans une cuve de four remplie avec du coke en utilisant un brûleur au plasma, tout en founissant un agent réducteur à cette zone. 12 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'une vapeur métallique quelconque, par exemple de zinc ou de plomb, qu'on trouve dans le gaz réducteur provenant de l'opération de fusion et de réduc- tion finale, est éliminée du gaz réducteur, de préférence par condensation, avant son utilisation dans la première opération de réduction. 13 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les tourteaux ou fragments profilés sont traités à l'air chaud ou avec des gaz de fumée contenant du gaz carbonique.