Brevet FR2579625A1 — publié le 19861003

La présente invention concerne des alliages présen- tant une certaine teneur en fer métallique et destinées à être utilisées dans la fabrication de fer et d'acier et concerne également le procédé de fabrication de tels alliages. Lors de la fabrication de fer et d'acier, il est usuel d'-effectuer certaines additions au four en fusion et, par exemple, d'ajouter divers produits métallifères sous la forme d'alliages tels que du ferro-silicium, du ferro- nickel, du ferro-chrome, du ferro-manganèse et analogues. De tels ferro-alliages contiennent normalement une quanti- té sensible de carbone. Dans la présente invention, le fer métallisé, l'élément d'alliage sous forme d'oxyde et le carbone, sont mis sous une forme compacte appelée bri- quettes, puis ils sont amenés dans un haut fourneau en même temps qu'une matière carbonée additionnelle telle que du coke, si nécessaire, et réduit pour former un produit d'alliage ferreux fondu présentant une valeur élevée dans la technique de la fonderie et dans d'autres utilisations de fabrications de fer et d'acier. La briquette qui est amenée au haut fourneau utilise de préférence de fines particules de fer métallisé en tant que produit de base de sa composition. Les briquettes déjà connues utilisent de fines particules d'oxydes de fer. La présence de fines particules métallisées réduit l'énergie requise pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention. Etant donné que les fines particu- les de fer se trouvent à l'état métallisé, l'énergie nor- malement nécessaire pour réduire l'oxyde de fer en fer ne constitue pas une exigence dans un tel procédé. Etant donné que le fer contenu dans les briquettes n'a pas besoin d'être réduit avant la fusion, l'énergie nécessaire est ainsi diminuée. Les brevets de la technique antérieure connue, qui sont les plus proches, comprennent les brevets US 4 179 283 (Rehder), 4 395 284 (Merkert) et 4 369 062 (Strange). Le brevet US 4 179 283 ne montre que l'agglomération d'oxydes métalliques et les briquettes selon le document antérieur ne comprennent pas de fer directement réduit. Deux sources distinctes et différentes de carbone sont utilisées, à savoir un carbone à forte réactivité et un carbone à faible réactivité. Le brevet US 4 395 284 montre que du fer et un liant constituent des produits facultatifs et non essentiels. Dans ce document, des matières compactes poreuses sont préparées en vue d'être utilisées en tant que matière d'alimentation pour un four électrique, cette matière présentant une faible densité apparente et une forte poro- sité interne. Le document antérieur énonce que jusqu'à environ 15 % du poids de silice peuvent être des particu- les de fer, toutefois ces particules sont indiquées comme présentant une granulométrie de l'ordre de 25 x 10 -3mm, ce qui représente en général des particules sous forme d'oxydes. Le brevet US 4 369 062 montre la fabrication d'une briquette à partir de matières de récupération, telles que jusqu'à 41 % de fines particules de fer de granulo- métrie de l'ordre de 25 x 10-3mm. Une étude a montré qu'il se trouvait insuffisamment de carbone dans la briquette selon le document antérieur pour réduire la granulométrie. Le document antérieur indique qu'il est nécessaire d'uti- liser une source additionnelle d'énergie pour assurer la chaleur pendant la fusion. La présente invention diffère de chacun de ces docu- ments antérieurs en ce que les briquettes amenées au haut fourneau contiennent l'oxyde d'alliage, le carbone et le fer désirés qui sont métallisés à plus de 60 %, ainsi qu'un liant tel que du silicate de sodium ou un mélange d'hydroxyde de calcium et de molasse. La présente invention a pour objet principal de créer un procédé permettant de fabriquer un ferro-alliage de manière plus économique que ce qui est actuellement possible pour diverses fabrications d'acier et techniques de fonderie. à 99 parties d'un mélange de matière finement divisée comprenant essentiellement 10 à 90 pour cent de fer métallisé, 7 à 65 pour cent d'oxyde d'alliage et5 à 26 pour cent de carbone sont mélangés avec 1 à 15 parties de liant et compactés pour former une briquette. La bri- quette préférée contient 92 parties de matière finement divisées et 8 parties de liant. La briquette est amenée dans un haut fourneau en même temps qu'une matière carbo- née additionnelle qui est brûlée pour chauffer et réduire l'oxyde d'alliage sous la forme métallisée, fondre le fer et l'élément d'alliage et former dans le four une fusion de ferro-alliage. Le procédé conforme à l'invention utilise en tant que matière de charge une briquette à base de fer comprenant essentiellement environ 10 à 90 % de fer métallisé, envi- ron 7 à 65 % d'alliage sous forme d'oxyde métallique et environ 5 à 26 % de carbone. Le fer de la composition peut se trouver sous la forme de tournures, de copeaux ou de fines particules de fer métallisé, et de préférence on utilise ces dernières. Les fines particules de fer métal- lisé sont de préférence réalisées par réduction directe d'oxyde de fer et sont au moins 60 % métallisées et en général plus de 80 % métallisées. Les liants préférés comprennent trois parties de chaux et cinq parties de molasse. La chaux du liant se présente sous la forme de chaux hydratée qui est de l'hydroxyde de calcium. L'ensemble des composés ci-dessus doit se trouver sous une forme finement divisée et présenter de préférence une granulométrie inférieure à 3 millimètres. De la silices de l'oxyde de manganèse, de la chromite, de l'oxyde de molybdène, de l'oxyde de nickel, de l'oxyde de cobalt, de l'oxyde de vanadium ou d'autres oxydes d'alliages désirés sont présents sous forme de fines par- ticules ou de granules. On donne ci-après à de telles oxydes de formule "MO ' pour faciliter la notation des x réactions. Les fines particules de fer métallisé à l'intérieur de la briquette fondent pour former des gouttelettes de fer séparées qui sont saturées par le carbone. Le carbone est de préférence un composé d'un combustible solide, tel que du charbon ou du coke et peut, en variante, être du brai ou du goudron. La briquette comprend de préférence du carbone additionnel au-delà des exigences stoechiométriques afin qu'une partie de ce carbone agisse en tant que com- bustible pour assurer la chaleur des réactions permettant la réduction et amener l'énergie nécessaire pour chauffer et fondre le fer réduit et le silicium à la température de coulée (environ 15000C). La fonction du carbone contenu dans la briquette est: 1 ) amener l'énergie nécessaire pour assurer la cha- leur de la réaction permettant de réduire les variétés d'oxydes de métal allié, la réaction étant chaleur MOx + C) M(s) + CO 2 ) amener l'énergie nécessaire pour dissoudre le carbone dans le fer fondu, la réaction étant: chaleur C(s) C 3 ) assurer l'énergie nécessaire pour satisfaire aux exigences d'enthalpie lors du chauffage du fer et des variétés d'oxydes métallisés (après réduction) jusqu'à la température de coulée; et 4 ) assurer l'énergie permettant de dissoudre les variétés de métal réduit dans le fer fondu, la réaction étant: M() chaleur m M(5) - 4 De préférence, la granulométrie de tous les composés est inférieure à 25 millimètres, mais de manière avanta- geuse la granulométrie de tous les composés sera inférieu- re à 15 millimètres avant l'agglomération. TJne composition particulièrement avantageuse de la briquette comprend 20 à 70 % de fer métallisé, 15 à 60 %/ d'oxyde d'alliage et 9 à 23 % de carbone. La composition préférée comprend 40 à 55 % de fer métallisé, 20 à 40 % d'oxyde d'alliage et 30 à 21 % de carbone. Le mélange énoncé ci-dessus peut être aggloméré par compactage à chaud à une température d'au moins 6000C et à une pression d'au moins 7 x 106 Pa pour former une bri- quette chaude à base de fer. Le liant préféré est formé d'un mélange d'hydroxyde de calcium et de molasse en partie sensiblement égale, la composition optimale étant de 3 parties de chaux pour 5 parties de molasse. Cependant, chacun de ces produits peut se trouver selon des proportions comprises entre 30 et 70 % de liants. D'autres liants sont constitués par du silicate de sodium, du brai et des goudrons, d'autres liants organiques ou chimiques ainsi que des ciments. Dans la mise en oeuvre du procédé conforme à l'inven- tion, la briquette de ferro-alliage est introduite dans un fondeur de haut fourneau, tel qu'un cubilot ou autre four de fusion. Une partie sensible de l'oxyde d'alliage contenu dans la briquette est réduite au cours de la fusion, et l'élément d'alliage métallique devient disponible pour le produit fondu en tant qu'élément d'alliage. On voit ainsi que des briquettes de ferro-alliage peuvent être substituées à du ferro-silicium plus coûteux ou à d'au- tres ferro-alliages. Dans un four à cubilot qui constitue un four de fu- sion et non pas un four de réduction, on obtient une perte de productivité de la fusion lorsque la réduction de la silice et celle du fer doivent être toutes les deux ef- fectuées dans le four. Lorsque seul l'oxyde d'alliage doit être réduit, c'est-à-dire si l'oxyde de fer a déjà été réduit sous la forme de fer métallisé, on diminue la perte de productivité de la fusion. L'oxygène permettant la combustion dans le cubilot est fourni par de l'air pré-chauffé éventuellement enrichi d'oxygène. Le cubilot peut être un cubilot de coke de type connu, ou un cubilot sans coke, ou encore un four de fusion quelconque de type désiré et qui peut être chauffé par des brûleurs à combustible oxygéné, des brûleurs à air enrichi d'oxygène/gaz naturel, des torches à plasma ou encore des électrodes tels que des électrodes en car- bone dans un four à arc électrique. La briquette amenée au cubilot comprend de préférence essentiellement de fines particules de fer métallisé, de fines particules ou des granulés d'alliages sous forme d'oxyde, une source de carbone telle que de la poussière de coke ou de fines particules de charbon, et un liant tel qu'un mélange d'hydroxyde de calcium et de molasse. Après que le mélange a été comprimé sous la forme d'une briquette, celleci peut être séchée ou cuite à basse température, telle qu'une température comprise entre 150 et 2000C, afin d'éliminer toute trace d'humidité et amé- liorer la résistance de la matière non cuite. Des copeaux, des alésures ou des tournures d'acier inoxydable ou d'alliage d'acier, ou des oxydes non fer- reux tels que l'ilménite, la chromite, les concentrés d'oxyde de titane, les latérites ou les oxydes de nickel, et même les alliages d'acier de granulométrie de l'ordre de 25 x 10-3mnm peuvent être incorporés dans les briquettes. Suffisamment de carbone additionnel, sous la forme de matière carbonée solide tel que du coke, est amené au four de fusion selon une quantité permettant de satisfaire les exigences de l'enthalpie et de la chaleur de fusion afin de fondre le fer solide, l'alliage de fer solide et les formations de laitier qui ont été amenés au fondeur, et fournir le carbone en quantité telle qu'il soit partiel- lement oxydé afin de former une atmosphère non-oxydante dans la zone de fusion du fondeur pour protéger de l'oxy- dat-in Je fer et toutes variétés d'alliages réduits. Les tableaux suivants comparent les analyses chimi- ques des différentes compositions de ferro-silicium avec des briquettes équivalentes à base de ferro-silice utilisé dans la présente invention. TABLEAU I Analyse du ferro-silicium Désignation FeSi 1 FeSi 5 FeSi 10 FeSi 25 FeSi 50 FeSi 75 du ferro- silicium O Fè 98,5% 94,5% 89,5% 74,5% 49,5% 24,5% Si 1,0 5,0 10,0 25,0 50,0 75,0 C 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 TABLEAU II Composition de la briquette à base de ferro-silice Equivalent FeSi 1 FeSi 5 FeSi 10 FeSi 25 FeSi 50 FeSi 75 de ferro- silicium Fines parti- - cules de fer métallisé 96,6% 86,7% 75,9% 51,6% 26,2% 10,5% SiO2 0,5 7,8 15,7 33,5 52,1 63,6 C 2,9 5,5 8,4 14,9 21,7 25,9 TABLEAU III Analyse de la briquette à base de ferro-silice FeSi i FeSi 5 FeSi 10 FeSi 25 FeSi 50 FeSi 75 Fe 81,9$ 73,5%c 64,4% 43, 7% 22, 2% 8,9% FeO 9,3 8,3 7, 3 4,9 2,5 1,0 C 4,3 6,8 9,5 15,7 22,1 26,0 SiO2 1,9 9,1 16,8 34,3 52,5 63,8 CaO 0,9 0,8 0,7 0,5 0,3 0,1 autre 1,6 1, 5 1,3 0,9 0,4 0,2 Le terme "métallisé" utilisé dans le présent mémoire ne signifie pas "revêtu de métal" mais signifie "presque complètement réduit à l'état métallique", c'est-à-dire présentant toujours plus de 60 % de métal et en général plus de 80 % de métal dans la matière. Un tel fer métal- lisé sous de nombreuses formes, y compris des grains est tout à fait approprié en tant que matière d'alimentation pour des fours de fabrication d'acier tels que des fours à arc électrique. D'autres liants formant une matrice, tel que du brai, du goudron de houille ou des liants du type à film ou pellicule tel que du silicate de sodium, ou encore des liants de type chimique tels que de la chaux hydratée et du di-oxyde de carbone, peuvent tous être envisagés en tant que liants appropriés à la présente invention. Les produits amenés au cubilot peuvent être un mélan- ge de briquettes, de fer compacté chaud, de simples dé- chets d'acier au carbone, de déchets d'acier allié, de la fonte de récupération et du coke. Des additions de flux telles que de la pierre à chaux, de la chaux brûlée, de la chaux dolomitique, du spath et des matières analogues sont utilisés pour former un laitier approprié permettant d'assurer soit une désul- furation, soit une déphosphoration, ou à la fois une telle désulfuration et une telle déphosphoration, ou simplement pour éliminer par fluage les impuretés de la fusion vers le laitier. Le produit à base de ferro-alliage fondu peut être amené sous forme granulée, ou coulé en gueuse ou en petit lingot. Ce qui précède montre que l'invention concerne un procédé pour réaliser des ferro-alliages fondus conformes à l'invention qui n'est d'ailleurs pas limitée aux exem- ples de réalisations représentées et décrits en détail, car diverses modifications peuvent y 9tre apportées sans sortir de son cadre. En particulier, il est possible d'amener dans le four une matière carbonée solide supplé- mentaire afin d'assurer une chaleur supplémentaire et réactiver le carbone. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication d'un ferro-alliage, carac- térisé en ce qu'il comporte les opérations consistant à former des ensembles compacts comprenant essentielle- ment un mélange de fer métallisé, un excès stoechiométri- que de matière carbonée solide et un oxyde d'un métal choisi parmi le silicium, le nickel, le manganèse, le ti- tane, le vanadium, le chrome, le molybdène et le cobalt; amener les ensembles compacts et les formations de laitier vers un four en fusion; brûler la matière carbonée solide afin de réduire les oxydes contenus dans les ensembles compacts, fondre les ccmrposés constitutifs et former une fusion de ferro-alliage. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé supplémentairement en ce qu'on ajoute, à l'ensemble com- pact et avant de l'amener dans le four, du carbone, de l'aluminium métallique, du magnésium métallique ou toutes combinaisons de ces derniers. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé supplémentairement par l'opération consistant à amener une matière carbonée solide supplémentaire dans le four afin d'assurer une chaleur supplémentaire et réactiver le carbone. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé supplémentairement par l'opération consistant à amener, dans le four de fusion, du fer solide, des al- liages de fer, du fer compacté chaud, des déchets d'acier au carbone, des déchets d'acier allié, de la fonte de récupération, ou un mélange de ces derniers. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé supplémentairement par l'opération consistant à injecter de l'oxygène dans le four afin de favoriser la combustion. 6 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, il caractérisé en ce que l'oxygène est sous forme d'air préchauffé. 7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé supplémentairement par l'opération consistant à fournir de la chaleur au four à l'aide de brûleurs à combustibles oxygénés, de brûleurs à air enrichis d'oxy- gène/gaz naturel, de torches à plasma ou d'électrodes. 8 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend le fait d'incorporer dans l'ensemble compact au moins un constituant choisi panmi des copea-ux d'alliage d'acier inoxydable, des alé- sures, des tournures, des concentrés d'ilménite, de chro- mite ou de titane, des latérites de nickel, des oxydes de nickel et des alliages d'acier de granulométrie de l'or- dre de 25 x 10 3mm.