Brevet FR2575183A1 — publié le 19860627

Les nouveaux procédés de production de pièces obtenues par frittage nécéssitent l'obtention d'une matière premio re répondant å des caractéristiques physico-chimiques bien particulières permettant dans un premier temps le formage de la pièce par compression ,puis aans un deuxième temps le frittage de la pièce par chauffage en atmosphère approprié å une température suffisante pour provoquer les liaisons des grains métalliques entre eux afin d'obtenir sur la pièce traitée les caractéristiques mécaniques convenables pour leur utilisation LS matière première la plus courament utilisée pour obtenir la poudre de fer est le minerai que lion réduit. Le procédé suivant l'invention consiste à utiliser des minerais de fer très pur ainsi que des oxydes de fer très purs obtenus comme sous produit dans les usines métallurgiques (oxydes de' découpage - oxydes de décapage etc . Certains de ces oxydes se présentent sous forme de petites billes creuses ,et ils nécéssitent alors avant transforma tion, es opérations de broyage pour modifier leur granumétries et leur forme physique L'oxyde ainsi obtenu est alors mélangé dans un appareillage approprié avec un liant carboné constitué d'un mélange de brai et de gouaron . Le taux de liant varie suivant la finesse de l'o- xyde ,il est généralement compris entre 8 et 12% L'ensemble est chauffé pour assurer la fusion du lianf..il se forme une pate qui par pressage ,par exemple dans une presse à roues mouleuses permet d'obtenir des agglomérés de bonne caractéristiques mécaniques Ces agglomérés sont alors chargés dans un four à cuve en mélange avec des charbons en morceaux non gonflant Ils subissent dans le four une opération de chauffage jusqu'a une température comprise entre 1000 et 1.100 degrés. L'agent réducteur est constitué essentiellement par le carbone et l'hydrogène constituant le liant de l'aggloméré et par l'hydrogène contenu dans les matières volatiles du charbon introduit avec les boulets Ces matières volatiles se dégagent sous 11 effet de la chaleur à la partie supérieur du four .Elles forment un gaz qui est aspiré à l'extérieur du four par un ventilateur ,et qui après épuration est réintroduit à la base ae l'appareil . L'élévation du niveau thermique de la charge a aussi pour conséquence de modifier la structure interne des agglomérés. Le liant constitué d'un mélange de brai et de goudron subit un effet de pyrolyse.Il y a décomposition des matières organiques avec dégagement gazeux essentiellement composé d'hydrogène Ce gaz très réducteur agit sur 11 oxyde de fer pour commencer sa réduction ,de méme agit le carbone fixe du liant .11 en résulte une structure poreuse de l'aggloméré qui facilitera l'opé- ration finale de réduction par les gaz réducteurs de balayage La quantité de matières réductrices introduite dans l'aggloméré aoit toujours etre-nettement inférieure à celle née8;; ssaire pour assurer la réduction de l'oxyde afin qu'il ne reste plus de carbone dans l'aggloméré après traitement Le taux de liant nécéssaire pour obtenir une bonne cohésion de celui-ci permet très facilement de remplir cette condition .On peut m8me envisager un ajout de carbone sans cendres Le coke de pétrole quoique peu réactif peut être utilisé ainsi que du charbon de bois s'il est suffisament pur Ltopération de réduction a pour résultat une contraction importante des agglomérés .1'élimination du liant entrain. la formation de vides ce qui contribue à faciliter les opérations ultérieures de broyage des agglomérés en vue de la production de la poudre matière de base de la fabrication de pièces en vue du frittage On a une circulation continue des matières à traiter de haut en bas du four et du gaz réducteur provenant de la charge circulant en sens inverse ,c'est dans la partie médiane du four que se fait l'apport thermique A cet emplacement les parois du four sont constituées de matériaux conducteurs de la chaleur chauffés extériêurement et transmettant les calories à la charge par rayonnement Une variante du procédé peut consister à remplacer les parois chauffantes par rayonnement par des électrodes isolés permettant le passage d'un courant assurant la mise en température de la charge par effet joule Le charbon devenant en effet bon conducteur de l'electricité a partir de 800= On a une charge qui se laissera facilement traverser par le courant On-joue sur le voltage pour doser la puissance injectée .On peut en marche normale considérer que le four est constitué de 3 échangeurs - L'échangeur médian ou s'effectue le transfert aes calories dans la charge par les parois. - L'echangeur supérieur ou les gaz chauds venant de traverser l'échangeur médian cédent leur chaleur sensible à la charge froide qui vient d'entre introduite - L'échangeur inférieur dans lequel les gaz de circulation à l'inverse de l'échangeur supérieur se réchauffent en refroidissant la charge qui vient dtêtre traitée Si les échangeurs sont correctement dimensionnes on conçoit que le rendement thermique de l'appareil soit excellent Au. contact du minerai chaud ,la réduction se produit du fait de la présence de carbone et d'hydrogène en donnant des quantités variables de CO - C02 - H20 POur obtenir un trbs haut degré de réduction ,il est nécéssaire de travailler constamment avec un gaz hautement réducteur Le gaz recyclé devra donc être refroidi et épuré avant sa réintroduction dans le four afin d'éliminer au maximum la vapeur d'eau En ce qui concerne le C02 ,compte tenu du niveau thermique dans le four et de la présence d'un excès de carbone ,celui-ci sera reformé suivant la réaction C02 + C = 2CO En ce qui concerne le chauffage des parois transmettant la chaleur à la charge ; ;la mise en température sera obtenue par Aa combustion d'une partie du gaz produit par le dégagement des matières volatiles dans une enceinte ceinturant la partie médiane du four ,les calories étant transmises dans le four par rayonnement à travers une paroi conductrice Les caractéristiques princiales de fonctionnement du four à cuve dans lequel s'effectue la réduction des oxydes de fer sont les suivantes ( fig 1 ) tE.-pQgt- conceroirvue çariante au procédé tel que décrit qui est la suivante (fig 2 ) La parti supérieure du four est constituée de caissons alimentés séparément en matières ,l'un contenant le minerai plus un peu de charbon , l'autre-uniouement de charbon Le gaz circule dang ces deux caissons en proportion definie Par souci de symétrie on peur concevoir un four constitué de 3 caissons - un central alimenté en minerai , deux extrèmes alimentés en charbon ne gaz traversant le compartiment ne contenant que du minerai cédera sa chaleur sensible et assurera une réduction partielle de celui-ci .I1 sera à sa sortie relativement riche en C02 et H20.C'est ce gaz qui pourra outre utilisé pour le réchau- ffage de la zone médiane par combustion dans une chambre appropriée Le gaz traversant le compartiment ne contenant que du charbon sera reformé et c1 est ce gaz que l'on recyclera La présene de dolomie décarbonatée introduite avec le charbon pourra être envisagée pour assurer l'élimination du souf re éventuellement contenu dans le gaz dégagé par les charbons , sinon une épuration classique devra titre effectuée sur le gaz avant sa réintroduction dans le four Dans la zone centrale le FeO rencontrant un gaz hsutement réducteur sera réduit en Fe métal suivant la réaction :: FeO + CO = Fe- +C02 FeO + 2H = Fe +H20 Le C02 et H20- produit auront de plus tendance à se dissocier en CO et H2 dans ce caisson du fait du niveau de température et de la présence dlun excès de carbone ,mais la dissociation sera plus complète pour le gaz lorsqu'il pénétrera à 1.100O par exemple dans le caisson ou on ne trouve que du carbone Il sera très facilement reformé et sa chaleur sen- sible restante servira'-'al-1 échauffement du charbon ainsi qu'a la devolatilisation de celui-ci Dans ltéchangeur inférieur ce gaz se réchauffera progressivement au contact des produits venant d'être traités en les refroidissant . Il atteindra la zone médiane 'a une température de 1.1000 environ et assurera la réduction pratiquement complète du minerai aggloméré . La présence d'un excès de carbone dans la charge présentera l'avantage d'éviter le risque de collage entre eux des agglomérés ae minerais A la sortie de llappareil ,les boulettes de fer seront séparées bu carbone excédentaire par un triage magnétique. ne taux ae réduction atteint pourra dépasser 95d- et les agglomérés de fer après triage seront au besoin soumis a un traitement ultime par l'hydrogène pour satisfaire aux normes de qualité avant de subir les opérations de broyage REVENDICATIONS 10) Procédé de préparation de poudre de fer destinée à la production de pièces pour frittage par traitement en atmosphère réductrice d'oxydes de fer conditionnés sous forme d'agglomérés dans des presses à roues mouleuses a l'aide d'un liant á base de brai de houille et de goudron 20j Procédé suivant revendication 1 caractérisé par le fait que ces agglomérés sont chargés-dans le four avec des charbons non gonflants dans une proportion telle qu'il subsiste toujours un excès de carbone dans la charge 30) Procédé suivant revendication la 2 caractérisé par le fait que le minerai et le charbon peuvent titre chargés en tout ou partie ou séparément dans des caissons séparés à la partie supérieure de la cuve 40) Procddé selon l'ensemble des revendications là 3 caractérisé par le fait que la réduction est obtenue par le réducteur introduit dans l'aggloméré et servant de liant et par partie par le réducteur introduit avec les agglomérés mais séparément. 5) Procédé selon l'ensemble des revendications 1 à 4 caractérisé par le fait que l'énergie nécéssaire aux opérations de réduction est obtenue par la combustion d'une partie du gaz dégagé par les matières volatiles du combustible de la charge dans une chambre située à mi-hauteur dans le four transmettant la eh- leur par les parois rayoiinantes à partir d'une enceinte 6 ) Procédé selon l'ensemble des revendications 1 à 5 caractérisé par le rait que l'énergie nécéssaire peut provenir d'un courant électrique circulant dans la charge entre 1 ou plusieurs rangées d'électrodes 70) Procédé selon l'ensemble des revendications 1 à 6 caractérisé par le fait que le gaz réducteur de recyclage se reforme dans le four lui même en traversant la zone chaude du caisson à charbon 80) Procédé selon l'ensemble des revendications 1 à 7 caractérisé par le fait que la disparition due à la réduction du réaucteur introduit dans l'aggloméré rend celui-ci plus poreux et facilite d'abord les opérations de réduction par les gaz et ensuite les o érations de broyage pour l'obtention de la poudre de fer à la granulomftrie requise 90) Procdé selon l'ensemble des revendications 1 à 8 caractérisé par le fait que ltnydrogene naissant contenu aans les réducteurs et se dégageant sous l'effet de la chaleur à une action préponderante pour les opérations de réduction 10 ) Procédé selon l'ensemble des revendications 1 à 9 caractérisé par le fait que le gaz de recyclage est celui qui a traversé la partie supérieure du four ne contenant que du charbon ,et que le gaz ae chauffage provient du caisson contenant le minerai