Brevet FR2619825A1 — publié le 19890303

La présente invention concerne un procéda pour réaliser la fusion d'un minerai contenant du nickel au moyen d'un four électrique. Les procédés de fusion classiques pour la production de ferronickel à partir d'un minerai d'oxyde de nickel comprennent le procédé au haut fourneau qui consiste à broyer le minerai, puis a mouler le minerai broyé en boulettes de 50 70 mm de diamètre, placer les boulettes conjointement a des morceaux de coke dans un haut fourneau, insuffler de l'air chaud dans le haut fourneau pour provoquer ainsi la fusion réductrice du minerai avec le coke comme source de chaleur, et à séparer le mélange fondu en métal et laitier, et le procédé au four rotatif qui consiste a diviser finement le minerai et un agent réducteur carbonE, a mouler en boulettes le mélange finement divisé résultant, introduire les boulettes dans un four rotatif, à réduire les boulettes sous forme semi-fondue en utilisant de l'huile lourde ou du charbon pulvérisé au niveau du brûleur employé comme source de chaleur, et a séparer magnétiquement le métal du laitier, en plus du procéda au four électrique qui consiste à introduire le minerai a l'état préchauffé et un agent réducteur carboné dans un four électrique, a provoquer la fusion réductrice du mélange résultant en utilisant de l'énergie électrique comme principale source de chaleur, et séparer le mélange fondu en métal et laitier. Le procédé au haut fourneau et le procédé au four rotatif mentionnés ci-dessus offrent l'avantage d'un faible coût en énergie du fait qu'ils utilisent du fioul, du coke ou du charbon qui sont des sources de chaleur moins chères que l'énergie électrique. Cepen dant, étant donné que leurs températures de travail sont inférieures à celle du procédé au four électrique, ces deux procédés nécessitent que les matières premières respectives aient de bas points de fusion. Ils ont donc pour inconvénient que la composition des minerais qui peuvent y être efficacement utilisés est astreinte à des limites et que du calcaire et autres additifs similaires doivent être employés en grandes quantités. De plus, des prétraitements tels que la réduction granulométrique poussée, le moulage en boulettes et le briquetage des matières premières d'alimentation sont coûteux. Les fours utilisés pour ces procédés ont leurs limites propres et les opérations sont en conséquence affectées d'une médiocre productivité. En outre, les produits de ferronickel obtenus par ces procédés sont de qualité inférieure en raison de leurs fortes teneurs en impuretés. Par contre, le procédé au four électrique n'est pas limité quant à la composition du minerai et ne nécessite pas non plus l'emploi d'additifs car il peut être mis en oeuvre à haute température. Les prétraitements sont relativement simples. En outre, le four peut avoir un grand volume et l'opération bénéficie par conséquent d'une grande productivité. Ce procédé offre l'avantage de permettre le contrôle de la qualité du ferronickel produit quant à la teneur en nickel et au taux d'impuretés. Par conséquent, à l'heure actuelle, le procédé au four électrique prévaut sur les autres procédés. Dans le procédé au four électrique, le minerai brut est concasse jusqu'à une grosseur ne dépassant pas 50 mm environ, introduit dans un four rotatif conjointement à de l'anthracite ou du charbon ordinaire servant de matière carbonée réductrice, et chauffé à une températu- re comprise entre 8000C et 9000C afin d'éliminer l'eau adhérente en une quantité de 20 à 30 % et l'eau de cristallisation en une quantité de 8 à 10 8 en même temps qu'il se produit une réduction effective d'une partie de Nio et Fe203.Le minerai grillé résultant est transporté en étant maintenu à cet état préchauffé jusqu'a un silo du stockage de minerai situé au-dessus d'un four électrique, introduit dans le four électrique par une descente de minerai, et chauffé pour subir une fusion réductrice à une température comprise entre 15000C et 16000C, la chaleur étant principalement engendrée par effet Joule par le courant électrique circulant entre les électrodes. Le ferronickel qui se compose de 18 à 25 % de Ni, 2 à 5 % d'impuretés comprenant Si et C et du complément de Fe, se rassemble sur la sole du four en se séparant du laitier de plus faible densité.Le procédé au four électrique employé pour la production de ferronickel se caractérise par la consommation d'une très petite quantité de charbon, et donc la production d'une petite quantité de gaz seulement, et par la production d'une très grande quantité de laitier par comparaison avec le procédé au four électrique employé pour la production d'autres ferro-alliages, tels que le ferroman ganèse ou le ferrosilicium, et du carbure de silicium. La raison en est que le minerai d'oxyde de nickel devant être utilisé comme matière première possède de faibles teneurs en métaux, comme de 1,8 à 2,8 % de Ni et 8 à 15 % de Fe. La quantité de matière réductrice carbonée à utiliser est de l'ordre de 30 à 50 kg, en termes de carbone, par tonne de minerai sec. Cette consommation de matière réductrice carbonée est tres petite si on la compare avec une comsommation moyenne de 200 à 500 kg dans la production d'autres ferro-alliages. Etant donné que la quantité de CO engendrée pendant la fusion réductrice dans le four électrique est petite, il est donc économiquement difficile de récupérer et d'utiliser ce CO à la différence du CO qui est engendré dans le four électrique employé à la production d'autres ferro alliages.Le CO engendré est laissé en totalité dans le four électrique où il subit une combustion spontanée et la chaleur sensible résultant de la combustion est partiellement mise à profit pour préchauffer la matière brute se trouvant dans le four. La majeure partie du gaz se dégage à l'état chaud du four proprement dit en passant par le carneau. Ensuite, une certaine quantité du gaz dégagé est utilisée comme source de chaleur auxiliaire pour le séchage du minerai et du charbon, et le reste de ce gaz passe par des filtres de dépoussiérage avant d'être rejeté dans l'air ambiant. Etant donné que le minerai brut contient du Ni, comme métal de valeur, en une faible concentration, l'énergie calorifique demandée par tonne de nickel obtenue dans le ferronickel produit est aussi grande que 146 à 209 x 106 kJ, y compris l'énergie électrique qui s'élève à 20 à 24 MWh/tonne de Ni et représente donc environ 60 % de l'énergie calorifique totale. Dans les cas où l'énergie électrique est chère, le procédé en question présente donc l'inconvénient d'un coût énergétique très élevé. Comme moyens pour réduire la consommation d'énergie électrique, on a adopté des mesures telles que l'élévation de la température de préchauffage dans le four rotatif et l'élévation des taux de réduction préliminaire de Ni et Fe. Ces mesures n'ont cependant pas suffisamment manifesté leurs effets à cause des limitations imposées par le matériel et son fonctionnement. Comme autre moyen pour extraire le Ni du même minerai d'oxyde de nickel que mentionné cidessus, il a été proposé un procédé qui, outre l'exé caution du procédé au four électrique susmentionné, comprend l'introduction de soufre dans le four rotatif ou le four électrique, pour produire ainsi une matte de Fe-Ni. Ce procédé a pour inconvénient que le prix de l'énergie électrique est élevé. Un but de la présente invention est de résoudre les difficultés rencontrées jusqu'ici dans le procédé de fusion au four électrique d'un minerai contenant du nickel tel que mentionné ci-dessus, et de réduire la consommation d'énergie électrique coûteuse dans la fusion au four électrique. Ce but, ainsi que d'autres, et les particularités caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description détaillée donnée ciaprès en référence au dessin annexé sur lequel la figure 1 est une coupe transversale d'un four électrique utilisé dans un mode de mise en oeuvre de la présente invention ; et la figure 2 est une vue en plan de la face supérieure du couvercle du four de la figure 1. La présente invention porte sur le procédé pour réaliser la fusion au four électrique d'un minerai contenant du nickel, et, en particulier, apporte à ce procédé un perfectionnement qui consiste à alimenter des brûleurs insérés à l'intérieur du four avec un combustible et un gaz comburant et à faire en sorte que les brûleurs effectuent une combustion dans une région à haute température de la matière brute se trouvant dans le four. En ce qui concerne le combustible d'alimentation des brûleurs, on peut utiliser un combustible liquide tel que le fioul ou le gazole, ou un combustible solide tel que du charbon finement pulvérisé, indépendamment l'un de l'autre, ou conjointement sous forme de mélange. En ce qui concerne le gaz comburant, on peut utiliser de l'oxygène pur ou de l'air enrichi en oxygène. I1 est souhaitable que la concentration de l'oxygène dans le gaz comburant soit aussi élevée que possible étant donné que, proportionnellement à l'augmentation de la concentration en oxygène, la température de flamme s'élève, la facilité de fusion de la matière brute augmente et l'éventualité d'apparition de cheminements de ga à travers la matière brute fondue diminue.Afin de laisser la solution solide de matière brute produite par les flammes des brûleurs tomber directement dans la couche de laitier et d'empêcher toute croûte non fondue d'appa raitre entre la couche de laitier et la solution solide, il est souhaitable de disposer les brûleurs de manière que leurs extrémités avant se trouvent dans la région à haute température de l'intérieur du four, notamment en des zones voisines des électrodes où la matière brute est fondue saune vitesse relativement grande, et légère ment au-dessus de la couche de laitier. Le nombre de brûleurs peut être choisi selon la capacité et la structure du four et la répartition de l'énergie à l'intérieur du four.Afin de réduire la charge imposée à chaque brûleur et, en même temps, d'assurer le maintien de conditions stables dans le four, il est souhaitable de disposer deux à six brûleurs de manière dispersée. Lorsqu'un combustible tel que dusfioul ou du charbon finement pulvérisé est brûlé avec de l'oxy gène ou de l'air au niveau des brûleurs insérés dans la région à haute température de la matière brute se trouvant dans le four électrique, la chaleur de cette combustion provoque la fusion réductrice de la matière brute, et la solution solide résultante tombe dans la couche de laitier et se sépare en métal et laitier du fait de la différence des densités. Le gaz à haute température engendré pendant la combustion préchauffe la matière brute tandis qu'il s'élève en s'écoulant par les interstices de la couche de matière brute, puis il quitte la surface de la couche de matière brute dans l'espace intérieur du four et il passe ensuite par le carneau et sort du four.Le gaz dégagé peut être utilisé tel quel pour sécher le minerai ou le charbon; ou bien il peut servir à réchauffer de l'air par échange de chaleur pour produire l'air utilisé comme comburant dans le brûleur du four rotatif. Par le procédé décrit ci-dessus, le coût en énergie pour une production donnée du four électrique peut être réduit du fait que l'on peut remplacer par le combustible une partie de l'énergie électrique utilisée comme source d'énergie. L'avantage d'un rendement accrû peut être obtenu en plus de l'économie d'énergie pour une puissance électrique fixe délivrée au four électrique en garantissant l'utilisation de la combustion du combustible. Bien que la mise en oeuvre du procédé envisagé par la présente invention produise une quantité accrue de gaz comparativement au procédé au four électrique classique, la température, la composition, etc., du laitier et du métal restent inchangées. La présente invention va maintenant être décrite en référence à un exemple de travail. La figure 1 est une coupe transversale donnée à titre illustratif d'un four électrique utilisé dans l'exemple de travail et la figure 2 est une vue en plan de la face supérieure du couvercle du four électrique de la figure 1. Un four électrique 1 comprend un four proprement dit 2 formé en doublant une enveloppe de four cylindrique avec un matériau réfractaire, un couvercle de four 3 prévu pour recouvrir la partie supérieure du four proprement dit, et trois électrodes 4 traversant le couvercle 3. La matière brute, conservée dans un silo 5 disposé au-dessus du couvercle 3 est introduite dans le four, à un débit limité par un étranglement en passant par une trémie 6 traversant le couvercle 3. Dans le même temps, le gaz brûlé est rejeté par un carneau 11 s'ouvrant dans le couvercle 3. A l'intérieur du four, une couche de métal 7, une couche de laitier 8 et une couche de minerai 9 sont stratifiées en ordre ascendant à partir de la sole du four sous l'effet des différences de densité. Lorsque la couche de métal 7 et la couche de laitier 8 ont crû en importance jusqu'à des quantités prédéterminées, elles sont respectivement soutirées par un trou de coulée du métal 12 et un trou de coulée du laitier 13. Cinq brûleurs 10 traversent le couvercle 13 et atteignent la région à haute température de la matière brute. Au niveau des extrémités avant de ces brûleurs, un combustible tel que du fioul ou du charbon finement pulvérisé qui alimente les brûleurs est brûlé avec un gaz contenant de l'oxygène. Exemple 1 On introduit dans le four électrique, à raison d'environ 60 tonne, un minerai préchauffé dans un four rotatif (non représenté) à une température comprise entre 8000C et 9000C et composé de 2,6 à 2,8 % en poids de Ni, 15 à 17 % en poids de Fe, 40 à 41 % en poids de SiO2, 25 à 26 % en poids de MgO et 2,5 à 2,8 % en poids de C. Sous une puissance électrique délivrée de 21,2 MWh/h, le fioul fourni à raison de 635 litres/h est brûlé par les cinq brûleurs avec de l'oxygène pur qui leur est fourni à raison de 1270 n? (TPN = température et pression normales) par heure. Le minerai grillé est soumis à une fusion réductrice par l'énergie électrique et l'énergie calorifique de la combustion. En résultat, on obtient un ferronickel contenant 19 à 22 4 en poids de Ni, 0,6 à 0,7 % en poids de Co, 0,1 à 0,8 % en poids de Si, 1,2 à 2,0 % en poids de C et 0,3 à 0,6 % en poids de S et ayant une température d'environ 14000C à un débit d'environ 7 tonnes/h, et on obtient un laitier composé de 0,04 à 0,05 % en poids de Ni, 7 à 9 % en poids de Fe, 51 à 52 % en poids de SiO2 et 32 à 34 % en poids de MgO et ayant une température d'environ 15800C à un débit d'environ 45 tonnes/h. Un gaz brûlé contenant 30 à 34 % en volume de C02, 1 à 2 % en volume de CO et 3,5 à 5,5 % en volume de 2 et ayant une température d'environ 10000C à 12500C est dégagé par le four électrique à un débit d'environ 9000 à 10500 i (TPN)/h. Exemple 2 On alimente le même four électrique qu'à l'Exemple 1 avec le même minerai grillé et on lui délivre la même puissance électrique. Du charbon finement divisé (ayant un pouvoir calorifique de 29,3 MJ/kg) est envoyé aux cinq brûleurs à raison de 825 kg/h et il est brûlé avec de l'oxygène pur envoyé à saison de 1240 m3 (TPN)/h pour effectuer la fusion réductrice du minerai grillé. Les compositions, températures et quantités de ferronickel, laitier et gaz brûlé ainsi obtenus sont sensiblement les mêmes que celles indiquées à l'Exemple 1. Les bilans calorifiques obtenus dans les Exemple 1 et 2 ainsi que ceux obtenus dans un exemple classique sont tels qu'exposés ci-dessous. Exemple Exemple 1 Exemple 2 classique (fioul (charbon Chaleur apportée (pas de introduit) introduit) combustible introduit) MJ/h % Mj/h % MJ/h % (1) Equivalent calorifique de l'énergie électrique 95,01x103 57,9 76,17x10 45,0 76, l7XlO 45,0 (2) Chaleur contenue dans le minerai grillé 44,78 " 27,3 44,78 26,4 26,4 44,79 " 26,4 (3) Chaleur de combustion de CO 24,28 14,8 14,9 24,28 " 14,3 24,28 14,3 14,3 (4) Chaleur de combustion du fioul 24,28 - 14,3 (5) Chaleur de combution du charbon 24,28 " 14,3 TOTAL 64,07 " 10010 )69,51 * 10010 169,51 ' 106,0 Chaleur enlevée (1) Chaleur contenue dans le métal 9,63 " S,9 9,63 " 5,7 9,63 " 5,7 12) Chaleur contenue dans le laitier 107,98 " 65,S 107,98 " 63,7 107,98 * : 63,7 (3) Chaleur de réduction 14,23 " 8,7 14,23 9,4 14,23 * 9,4 (4) Chaleur entrainée par le gaz bru lé 13,81 - 8,4 18,00 " 10,6 18,00 " 10,6 (5) Chaleur perdue par rayonnement, etc. 18,42 11,2 19,67 11,6 11,6 19,67 11,6 TOTAL 164,07 - 100,0 169,51 " 100,0 169,51 - 100,0 On remarque d'après le tableau précédent que pour des quantités pratiquement égales de chaleur fournie au four électrique, environ 20 % de la consommation électrique est remplacée dans chacun des Exemples 1 et 2 par du fioul et du charbon finement pulvérisé et que la chaleur entrainée par le gaz brûlé et la chaleur perdue par rayonnement sont légèrement plus grandes dans ces exemples. A tous autres égards, les quantités de chaleur sont sensiblement les mêmes. En admettant que le coût énergétique du fioul soit de 0,12 et que celui du charbon soit de 0,06 en prenant celui de l'énergie électrique comme unité, le coût énergétique total de l'Exemple 1 et celui de l'Exemple 2 sont respectivement de 90 % et 87 % par rapport à celui de l'Exemple classique. Si l'on augmente encore le taux de substitution du combustible à l'énergie électrique, le coût énergétique global est évidemment abaissé en proportion. Si l'on augmente la puissance calorifique du four électrique, par exemple en y ajoutant le combustible sans réduire aucunement la puissance électrique délivrée, la réduction du coût énergétique conjuguée à la diminution du coût fixe due au rendement accrû, a pour résultat que le coût de production du ferronickel est encore abaissé. Le procédé de fusion de la présente invention autorise une réduction du coût énergétique du four électrique car il facilite beaucoup la fusion réductrice de la matière brute en faisant brûler un combustible tel que du fioul ou du charbon au niveau de brûleurs insérés dans les régions à haute température de la matière brute se trouvant dans le four électrique, comme décrit ci-dessus. De plus, la réduction du coût de production est atteinte en augmentant la quantité de chaleur fournie par unité de temps, ce qui augmente ainsi le rendement. Le procédé de la présente invention s'avère donc rentable dans les contrées, pendant les saisons ou aux époques où le prix unitaire de l'énergie électrique est élevé. Le procédé de la présente invention peut être appliqué à la fusion au four électrique d'une matte de nickel ou à la fusion au four électrique d'autres ferro-alliages n'impliquant pas la récupération de CO, avec la même efficacité qu'à la fusion de ferronickel. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la fusion au four électrique d'un minerai contenant du nickel qui consiste à introduire une matière brute (9) préchauffée comprenant ledit minerai contenant du nickel et un agent réducteur carboné dans un four électrique (1) et à effectuer la fusion réductrice de ladite matière brute, caractérisé en ce qu'on alimente avec un combustible et un gaz comburant des brûleurs (10) insérés à l'intérieur dudit four électrique et l'on fait en sorte que lesdits brûleurs effectuent une combustion dans une region à haute température de ladite matière brute se trouvant dans ledit four électrique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux à six brûleurs sont disposés de manière dispersée sur un couvercle (3) de four. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit combustible est du fioul, du gazole et/ou du charbon finement divisé. 4. procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit gaz comburant est l'oxygène ou de l'air enrichi en oxygène. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite fusion réductrice est effectuée en utilisant un four électrique pour chauffer ladite matière brute à une température comprise entre 15000C et 16000C, la chaleur étant engendrée par effet Joule par un courant électrique passant entre des électrodes (4). 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit minerai contenant du nickel est chauffé à une température comprise entre 8000C et 9000C avant d'être introduit dans ledit four électrique.