Brevet FR2572097A1 — publié le 19860425

La présente invention est relative à un procédé de transformation de métaux, et/ou pour produire du lai- tier à partir de minerais d'oxydes. On se référera dans la description et les exemples qui vont suivre à la produc- tion de ferrochrome à partir de minerai de chromite de fer. Cependant, l'invention n'est nullement limitée à ces maté- rjaux,mais ellepeut être appliquée àun grand nombre de maté- riaux différents ferreux et non ferreux. Le ferrochrome est habituellement produit à par- tir de minerai de chromite de fer dans des fours à arc électrique, en utilisant du coke comme agent réducteur. Ces procédés présentent des inconvénients, tels que par exemple l'agent réducteur doit être du coke métallurgique de qualité élevée, et il est difficile de produire des métaux avec une faible teneur de carbone et le minerai finement pulvérisé doit habituellement être aggloméré pour qu'il puisse être utilisé dans des procédés permettant de récupérer un pourcentage élevé de métal. Il a été développé des procédés perfectionnés basés sur la technologie du plasma, dans lesquels une gran- de partie de la quantité de coke nécessaire est remplacée par du carbone en poudre et dans lesquels on préfère uti- liser un minerai finement pulvérisé. Ces nouveaux procédés constituent un grand pas vers l'avant par comparaison avec les procédés classiques utilisant des fours à arc électri- que, mais ils nécessitent toujours un agent réducteur consistant en au moins 25% de coke métallurgique, et ces procédés ne peuvent pas être utilisés en eux-mêmes pour fabriquer des produits ayant une faible teneur de carbone. Le but de l'invention est de conserver les avan- tages des nouveaux procédés de réduction et de fusion basés sur l'énergie du plasma comme décrit plus haut, tout en supprimant en même temps leur dépendance du coke métal- lurgique et permettant la fabrication de produits métalli- ques ayant une teneur en carbone relativement faible. Un autre but de l'invention est d'obtenir un procédé qui soit plus souple que les procédés connus en ce qui concerne la répartition de l'énergie nécessaire pour la réduction et la fusion, entre l'énergie électrique et une énergie dérivée de la combustion des combustibles fos- siles. Ces buts ainsi que d'autres sont obtenus au moyen du procédé suivant l'invention, dans lequel des mine- rais d'oxyde finement pulvérisés, éventuellement avec des générateurs de laitier, est traité dans un réacteur com- prenant trois z8nes, une zone supérieure d'oxydation dans laquelle le matériau est pré-chauffé et éventuellement fon- du par la combustion d'oxyde de carbone et d'hydrogène gazeux depuis la zône intermédiaire située au-dessous, avec un gaz contenant de l'oxygène, une zone intermédiaire consistant en un bain de laitier dans lequel le matériau à base d'oxyde, pré-chauffé et éventuellement fondu, est au moins partiellement réduit par l'injection simultanée de matière carbonée et/ou d'une matière contenant un hydro- carbure et par l'énergie thermique fournie principalement par l'intermédiaire de générateurs de plasma, et une zône inférieure, au fond du réacteur, dans laquelle descend le métal formé pendant la phase de réduction et à partir de laquelle ce métal ainsi que le laitier sont prélevés par intermittence par l'intermédiaire d'ouvertures de coulée. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaitront au cours de la description qui va suivre faite en se référant aux dessins donnés uniquement à titre d'exemples et dans lesquels: la Fig.l est une vue schématique d'un mode de réalisation d'un appareil pour la mise en oeuvre du procé- dé suivant l'invention; la Fig.2 est un schéma fonctionnel du procédé suivant l'invention; la Fig.3 est un schéma fonctionnel d'un procédé classique basé sur le plasma. La Fig.l montre une chambre 1l constituant une zone de réaction à haute température, ménagée à la partie supérieure d'un creuset 10 situé plus bas et comportant un chemisage réfractaire. La chambre 11 est entourée par des parois 12 refroidies par de l'eau et consistant en des panneaux présentant des conduits en métal à travers lesquels de l'eau de refroidissement peut circuler à gran- de vitesse et qui comportent un chemisage interne réfrac- taire 13 protégeant la surface du métal dirigée vers l'in- trieur d'un contact direct avec la matière en fusion con- tenue dans la chambre 1. La partie inférieure de la chambre 11 comporte des générateurs 14 de plasma qui alimentent le processus en énergie électrique, et des lances 15 d'alimentation en carbone distribuant l'agent réducteur pour le processus. Les lances 15 sont de préférence agencées dans la chambre 11 à un niveau plus élevé que celui des générateurs 14 de plasma. La chambre ll comporte également des lances 16 à oxygène qui, à leur tour, peuvent être disposées au- dessus des lances 15 de carbone. L'oxygène gazeux est des- tiné à la combustion d'une partie des gaz engendrés à la suite de la conversion du carbone avec les oxydes métalli- ques dans le système, pour fournir de l'énergie pour chauf- fer et fondre ces oxydes. Des lances 17 d'alimentation sont prévues à la partie supérieure de la chambre 11, éventuellement dans la paroi supérieure de celle-ci, pour distribuer au réacteur du minerai et un matériau additif finement pulvérisés Un conduit 18 à chemisage réfractaire est également prévu à la partie supérieure de la chambre 11 pour l'extraction des gaz de l'appareil.-Le creuset 10 est également pourvu d'ouvertures 20 et 19 de coulée pour l'extraction du laitier et du métal respectivement. Les différentes lances pour la distribution de l'oxygène gazeux et des agents réducteurs peuvent être combinées les unes avec les autres et/ou avec les généra- teurs de plasma. Si de l'oxygène gazeux est distribué en conjugaison avec les générateurs de plasma à un niveau bas dans la chambre 11, de l'oxygène gazeux supplémentai- re est distribué au-dessus de la surface du lit de laitier. De plus, une ouverture combinée de sortie pour le laitier et le métal produit peut être ménagée à la par- tie inférieure du réacteur. La description qui suit, en référence à la Fig.l, est relative à un mode préféré de mise en oeuvre du procédé suivant l'invention. Lorsque le creuset 10 et la chambre ll -ont été chauffés presque jusqu'à la température de fonctionnement par distribution d'un gaz de plasma approprié par l'inter- médiaire des générateurs de plasma 14, et que des couches de métal en fusion et de laitier ont été produites par fusion de matériaux de démarrage appropriés, on commence l'injection de carbone et d'oxygène gazeux au moyen des lances 15 et 16 respectivement. Ceci provoque une circula- tion d'un gaz de traitement contenant CO, H2, C02 et H20, qui peut être au moins partiellement recyclé comme gaz de plasma plus approprié. Le refroidissement, l'épuration et la re-compression des gaz perdus du processus pour un recy- clage en tant que gaz de plasmaou destinés à être utilisés comme combustibles sont réalisés par des dispositifs clas- siques non représentés au dessin. Lorsque l'opération est démarrée dans la chambre 11, avec une circulation concomittante de laitier provenant du bain dans le creuset 10, dans la chambre 11, on comman- ce l'alimentation en minerai et en produit additif au moyen des lances 17. La réaction entre le carbone et les oxydes dans le laitier en fusion engendre CO et H2 qui sont partiellement brûlés avec de l'oxygène gazeux dans la chambre 11. Un taux de combustion se produisant dans la chambre ll est contr8lé afin d'obtenir une énergie suffi- sante pour pré-chauffer et fondre le minerai et les addi- tifs ajoutés dans la chambre 11. La quantité d'énergie fournie par les généra- teurs 14 de plasma est commandée en fonction des réactions endothermiques entre le laitier et le carbone. L'atmosphè- re réductrice est ainsi maintenue dans le creuset 10 et la partie inférieure de la chambre 11 o se produisent la réduction et la fusion, et une atmosphère plus oxydante est maintenue dans les régions supérieures et intermédiai- res de la chambre 11, o se produit le pré-chauffage et la fusion. Le laitier et le métal sont soutirés soit par in- termittence soit en continu d'une façon classique par l'in- termédiaire des ouvertures de coulée 19 et 20. Le flux de chaleur à travers le chemisage 13 dans les parois 12 re- froidies par eau est de l'ordre de grandeur de 50 à 100 kWh/m2, qui provoque la formation d'une mince couche 21 de laitier solidifié sur la surface interne du chemisage 13. La température de la surface interne de cette couche solidifiée de laitier, qui peut avoir une épaisseur de 1 à 2 cm, correspond au point de fusion du laitier et agit ainsi comme une protection pour le chemisage 13 et les parois 12 refroidies par eau, contre l'influence corrosive et errosive de la masse turbulente de réactifs solides, liquides et gazeux circulant dans la chambre 11. Lorsqu'on produit du ferrochrome, une températu- re d'environ 2.000 C est préférée dans la chambre il afin de faire passer des réactifs fondus avec une température d'environ 1700 C vers la partie inférieure de la chambre 11. On peut utiliser comme gaz de plasma de l'air, de l'air enrichi d'oxygène, de l'oxygène gazeux et/ou un gaz provenant du processus et recyclé. Si on utilise un gaz recyclé provenant du processus, de la vapeur d'eau et de l'anhydride carbonique sont extraits de façon appro- priée du gaz avant qu'il pénètre dans le générateur de plasma. La zone supérieure est de préférence au moins partiellement séparée des autres z8nes, formant ainsi une chambre de fusion instantanée. Une partie des gaz d'échap- pement chauds provenant du four peut ainsi être utilisée pour préchauffer et fondre le minerai d'oxydes finement pulvérisé pénétrant dans l'appareil. Ce minerai tombe alors dans le réacteur. Le procédé suivant l'invention permet de contrô- ler le potentiel d'oxygène dans la zone de fusion en com- mandant le débit avec lequel les constituants oxydants sont distribués, tels que des oxydes métalliques et des gaz oxydants, c'est à dire del'oxygène gazeux, de l'oxyde de carbone, de l'eau, etc. par rapport au débit avec le- quel sont distribuées les substances réductrices, c'est à dire le carbone et/ou des matières contenant des hydrocar- bures. La teneur en carbone ainsi que la formation de car- bures peut ainsi être commandée dans le métal produit. Il est également possible d'effectuer une réduction sélecti- ve des oxydes métalliques complexes telle qu'une réduction de Cu dans le système Cu-Fe-O, Cu-Zn dans le système Cu-Zn-Fe-O, de Cu-Zn-Pb dans le système Cu-Zn-Pb-O et de Fe dans le système Fe-Ti-O. Le procédé suivant l'invention est particulièrement approprié dans le système Fe-Ti-O pour la réduction de l'oxyde ferrique et la formation de fer métallique à partir d'ilmenite, et ainsi la produc- tion d'un laitier ayant une teneur élevée en TiO2 et une faible teneur en FeO sans la formation gênante de carbures de titane ou de carbures nitreux. La Fig.2 est un schéma opérationnel pour un pro- cédé suivant l'invention et la Fig.3 est un schéma opéra- tionnel d'un procédé classique basé sur le plasma, tous deux destinés à la production de ferrochrome ayant une teneur élevée en carbone. Ces deux schémas opérationnels donnent une image claire des avantages du procédé suivant l'invention par rapport aux procédés classiques. Les avantages du procédé suivant l'invention sont en outre illustrés dans le tableau suivant présentant une comparaison entre les paramètres de fonctionnement pour le procédé déja connu basé sur le plasma et le procé- dé suivant l'invention dans la production de ferrochrome ayant une teneur élevée en carbone. TABLEAU Fusion classique Procédé suivant au plasma l'invention Minerai fourni (tonne) 2,293 2,293 carbone (tonne) 0,366 03510 coke (tonne) 0,166 - oxygène gazeux (mol) - 12Y388 électricité (kWh) 4,913 3,036 laitier (tonne) 1;217 1,213 alimentation en gaz combustible (GCal) 2,844 1J006 volume de combustible gazeux (mol) 44369 24,59 quantité totale de gaz d'échappement (kmol) 97j94 73,70 gaz de plasma (kmol) 53,25 32,90 Le procédé suivant l'invention ne nécessite pas de coke par comparaison avec 30% en poids pour la fusion classique au plasma et 40% de moins d'énergie électrique directe. De plus, 65% de moins de combustible gazeux sont nécessaires pour le procédé suivant l'invention, ce qui peut être un avantage important dans des lieux o il n'y a pas d'utilisation pour un tel combustible soit ex- térieurement soit intérieurement. Le volume plus faible des gaz d'échappement dans le procédé suivant l'invention est un autre avantage du fait que l'appareillage pour le refroidissement, l'épuration et la recompression de ces gaz sont alors moins coûteux. Certaines caractéristiques et conditions criti- ques pour un dimensionnement et un fonctionnement corrects du procédé sont également mentionnés. L'un des impératifs les plus importants est d'entretenir le fonctionnement des panneaux refroidissants formant les parois et la paroi supérieure de la chambre de réaction. Ceci est obte- nu en installant un chemisage en matériau conducteur réfractaire. Ceci provoque l'adhérence d'une mince envelop- pe de laitier solidifié sur le chemisage, fournissant une protection supplémentaire au système. Les lances 15, 16 et 17 sont conçues et adaptées pour réduire l'influence directe sur les parois et pour optimiser la turbulence dans la chambre de réaction 11. Ceci est obtenu au moyen d'une combinaison de jets de pénétration en fonction de la dimension de la vitesse et de la direction. La posi- tion relative des générateurs 14 de plasma, des lances 15 d'injection de carbone et des lances 16 d'injection d'oxygène est réglée de façon à assurer une répartition appropriée entre les conditions d'oxydation dans les par- ties supérieures et intermédiaires de la chambre de réac- tion 11 et les conditions de réduction dans le creuset et la partie inférieure de la chambre. L'isolation du bain de produit par rapport aux réactions dans la chambre 11 est obtenue en maintenant une profondeur telle dans le bain de laitier dans le creuset 10 sur le bain de métal, qu'au moins une partie du laitier au-dessus du bain de produit reste stationnaire. REVENDICATIONS 1- Procédé pour produire des métaux et/ou du laitier à partir de minerais d'oxydes, caractérisé en ce qu'un minerai d'oxyde finement pulvérisé est traité, éven- tuellement avec des générateurs de laitier, dans un réac- teur comprenant trois zones: une zône supérieure d'oxyda- tion (11) dans laquelle le matériau est pré-chauffé et éventuellement fondu par la combustion d'oxyde de carbone et d'oxygène gazeux provenant de la z8ne intermédiaire située au-dessous, avec un gaz contenant de l'oxygène, une zone intermédiaire consistant en un bain de laitier dans lequel la matière pré-chauffée et éventuellement fondue est au moins partiellement réduite par l'injection simulta- née de matière carbonée et/ou de matière contenant un hy- drocarbure et l'énergie thermique fournie principalement au moyen de gaz chauffés dans un générateur de plasma, et une zône inférieure (10) à la partie inférieure du réacteur, dans laquelle descend le métal formé pendant le processus de réduction et à partir de laquelle ce métal ainsi que le laitier sont soutirés de façon intermittente par l'intermédiaire d'ouvertures de coulée (19, 20). 2- Procédé suivant la revendication 1, caracté- risé en ce qu'au moins les parties (12) du réacteur qui entourent les z8nes d'oxydation et de réduction sont re- froidies au moyen de parois refroidies par de l'eau et chemisées avec une matière réfractaire (13) dirigée vers l'intérieur, grâce à quoi une couche (21) de lai- tier solidifié est formée sur les parois internes du réacteur. 3- Procédé suivant les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la matière carbonée et/ou la matière contenant de l'hydrocarbure est introduite à un niveau situé au-dessus de celui auquel le gaz chauffé par le géné- rateur de plasma est distribué. 4- Procédé suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que la matière carbonée et/ou la matière contenant un hydrocarbure, et un gaz contenant de l'oxygène sont introduits dans les parties inférieures du réacteur, un gaz contenant de l'oxygène étant également distribué à un niveau situé au-dessus de la surface du bain de laitier. - Procédé suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que la zone supérieure d'oxydation du réacteur est au moins partiellement sépa- rée des autres de celui-ci, la matière pré-chauffée tom- bant vers le bas dans la zone intermédiaire, à partir de la zône supérieure (11). 6- Procédé suivant la revendication 5, caracté- risé en ce que des gaz d'échappement chauds sont extraits de la partie supérieure du réacteur, au moins une partie de ces gaz étant utilisée pour le pré-chauffage et éven- tuellement la fusion dans au moins une z8ne supérieure partiellement séparée, formant ainsi une-zône de fusion instantanée.