Brevet FR2691718A1 — publié le 19931203

PROCEDE DE SEPARATION DE MATIERES FERREUSES ET CARBONEES A LA SORTIE D'UNE INSTALLATION DE REDUCTION DU MINERAI DE FER, ET DISPOSITIF POUR SA MISE EN OEUVRE L'invention concerne le domaine de la réduction du minerai de fer, notamment dans des installations fonctionnant avec un lit fluidisé circulant de minerai. Actuellement, des recherches sont activement conduites afin de mettre au point des procédés sidérurgiques qui pourraient se substituer au haut fourneau. Les inconvénients du haut fourneau que de tels procédés visent à éliminer sont son manque de souplesse de fonctionnement, et la nécessité de lui associer une cokerie et une installation d'agglomération du minerai de fer. Par ailleurs, il faudrait que les nouveaux procédés conservent les excellentes performances énergétiques du haut fourneau. Ces nouveaux procédés sont souvent désignés par le terme : procédés de "fusion réduction" ou "smelting reduction". L'un d'entre eux associe deux réacteurs. L'un de ces réacteurs produit à partir de minerai de fer du minerai très fortement réduit à l'état métallique, qui est enfourné dans le deuxième réacteur pour être transformé en fonte liquide. Les circuits gazeux de ces deux réacteurs peuvent être liés l'un à l'autre, ou être totalement indépendants. Une forme de réalisation particulière d'un tel procédé est décrite par exemple dans l'article "Reduction of fine ore in the circulating fluid bed as the initial stage in smelting reduction (Metallurgical Plant and Technology International, mars 1991, pp 28-32) et dans la Demande de brevet français n 91.14467 au nom de la demanderesse. La réaction de réduction du minerai de fer s'effectue en faisant réagir un lit fluidisé circulant formé par des particules de minerai en cours de réduction et de semi-coke, avec un gaz réducteur (mélange CO/C02/H2/H20) qui assure également la fluidisation Celle-ci a lieu dans une première partie du réacteur. Les gaz chargés en particules de minerai en cours de réduction et de semi-coke passent ensuite dans un cyclone. Les gaz s'échappent alors du réacteur, tandis que les particules descendent dans un gazéifieur, où sont introduits séparément ou ensemble du charbon et de l'oxygène dans le but de former du CO et de l'hydrogène qui vont contribuer à la réduction du minerai. Les matières solides et les gaz reviennent ensuite dans la première partie du réacteur, d'où une fraction des matières solides (minerai réduit et semi-coke) est extraite périodiquement ou continûment. Du minerai neuf est introduit dans le courant de matières entre le cyclone et le gazéifieur. Les gaz qui se sont échappés du cyclone sont épurés et réintroduits dans le gazéifieur et à la base de la première partie du réacteur, où ils peuvent rejouer leur rôle de milieu fluidisant et réactionnel. Les matières solides extraites du réacteur sont ensuite dirigées vers le réacteur de fusion pour contribuer à y produire de la fonte liquide. Comme on l'a dit, ces matières sont composées pour l'essentiel d'un mélange de minerai de fer fortement réduit (à environ 75 % au moins) et de semicoke avec accessoirement d'autres matières non ferreuses impuretés provenant du minerai et additifs éventuels. Leur teneur en semi-coke (qui peut atteindre 50 %) est en fait supérieure à celle qui est nécessaire pour former la fonte (de l'ordre de 5 à 25 %). Cela conduit à une production excessive de gaz carbonés dans le réacteur de fusion, et à une forte consommation de matières carbonées de l'ensemble de l'installation, consommation qu'il est souhaitable d'abaisser. Il faut donc développer des moyens permettant une sortie sélective du fer métallisé et du semi-coke afin de pouvoir régler les teneurs en carbone du lit fluidisé et du produit extrait du réacteur de réduction à des niveaux différents et compatibles avec un bon fonctionnement des réacteurs de réduction et de fusion. Le but de l'invention est de diminuer la quantité de semi-coke dans les matières solides destinées à être enfournées dans le réacteur de fusion, tout en diminuant la consommation globale de matières carbonées par l'ensemble de l'installation de production de fonte, ceci en maintenant à son niveau habituel la teneur en matières carbonées des particules solides circulant dans le réacteur de réduction. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de séparation des matières ferreuses et des matières non ferreuses après leur extraction simultanée d'une installation de réduction du minerai de fer, caractérisé en ce qu'on abaisse la température desdites matières ferreuses en dessous du point de Curie, en ce qu'on dévie la trajectoire desdites matières ferreuses par application d'un champ magnétique auxdites matières ferreuses et non ferreuses, et en ce qu'on collecte lesdites matières ferreuses dans au moins une conduite située à l'écart du parcours préférentiel des matières non ferreuses. L'invention a également pour objet un dispositif de séparation des matières ferreuses et des matières non ferreuses extraites d'une installation de réduction du minerai de fer, caractérisé en ce qu'il comporte une conduite principale assurant le transport desdites matières extraites de ladite installation et pourvue de moyens de refroidissement desdites matières, des moyens d'application auxdites matières d'un champ magnétique capable de dévier lesdites matières ferreuses hors de la trajectoire préférentielle desdites matières non ferreuses, et des moyens pour collecter lesdites matières ferreuses. Comme on l'aura compris, l'invention consiste à appliquer aux matières sortant du réacteur de réduction un champ magnétique qui dévie les matières ferreuses vers une ou des conduites latérales branchées sur la conduite principale. Celle-ci ne recueille donc que des matières non ferreuses, principalement des matières carbonées, qui peuvent être recyclées dans l'installation de réduction. Les matières ferreuses recueillies sont, elles, envoyées dans le réacteur de fusion, ou on pourra ne leur ajouter que la quantité de matières carbonées nécessaire au bon fonctionnement de l'appareil. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faisant référence à la figure 1 annexée, qui représente en section longitudinale pour les figures 1 a) et 1 b), et en coupe transversale pour la figure 1 c) un exemple d'installation de production d'un mélange de minerai de fer fortement réduit et de semi-coke, équipée d'une première forme de dispositif selon l'invention ; La figure la) montre une installation de réduction du minerai de fer selon la demande de brevet FR 91.14467 déjà citée, composée essentiellement de trois parties. Un premier réacteur 1 contient à sa base un lit 2 de matières solides, contenant essentiellement du minerai de fer se trouvant pour sa plus grande partie à l'état réduit, mélangé à du semicoke. Ce mélange peut également comporter accessoirement d'autres matières non ferreuses (impuretés du minerai et additifs éventuels) dont on ne tiendra pas compte dans la suite du texte. Ce lit 2 repose sur un support 3 perméable aux gaz. Le lit 2 est traversé par un courant gazeux de fluidisation qui le met en circulation à travers l'installation, comme indiqué par les flèches 4, 4', 4". Ce gaz de fluidisation est un gaz réducteur, à savoir un mélange CO/CO2/H2/H20 qui est injecté à la base du réacteur 1 par une conduite 5. Au cours de leur cheminement dans le réacteur 1, les particules de minerai de fer subissent une réduction en fer métallique par le CO et l'hydrogène des gaz de fluidisation. Les gaz et les matières solides pénètrent ensuite dans un cyclone 6. Les gaz sont évacués du cyclone par une conduite 7, alors que les matières solides retombent dans la partie inférieure du cyclone 6. Les gaz sont épurés du CO2 et de la vapeur d'eau qu'ils contiennent dans un réacteur approprié 24, sont renvoyés par la pompe 8 et la conduite 9 vers la base du réacteur 1, après être passés par un préchauffeur 26, et sont à nouveau utilisés pour la fluidisation et la réduction du minerai. Les matières solides sortant du cyclone 6 sont amenées par une conduite 10 vers un réacteur de gazéification 11. Sur cette conduite 10 est connectée une trémie 12 contenant du minerai neuf à réduire, dont l'admission dans l'installation est commandée par la vanne 13. Le réacteur de gazéification 11 a pour fonctions de générer le gaz servant à la fluidisation et à la circulation des matières, et de fournir l'énergie nécessaire à l'équilibre du bilan thermique. A cet effet, on y réalise des injections d'oxygène et de matières carbonées, telles que du charbon, ces matières carbonées étant en excès. On forme ainsi du CO et de l'hydrogène (avec un certaine proportion de CO2 et de vapeur d'eau) qui, dans le reste de l'installation vont réagir avec le minerai pour le réduire en fer et s'oxyder eux-mêmes en CO2 et H2O, alors que le charbon en excès se transforme en semi-coke. Dans l'installation représentée, les matières carbonées 14, contenues par exemple dans une trémie 15, sont introduites par une vanne 16 dans un brûleur 17. Ce brûleur 17 est alimenté également par de l'oxygène contenu dans un récipient 18 muni d'une vanne 19. Dans ce brûleur 17 a lieu la combustion en CO des matières carbonées 14 et la formation d'hydrogène, puis le CO et l'hydrogène ainsi formés sont introduits dans le réacteur de gazéification 11. On pourrait également injecter l'oxygène et les matières carbonées séparément et directement dans le réacteur 11, la formation de CO et d'hydrogène aurait alors lieu dans le réacteur 11 lui-même. Une partie du mélange CO/CO2/H2/H20 est également introduite à la base du réacteur de gazéification 11 par une conduite 20 connectée à la conduite 9 qui amène ces mêmes gaz au premier réacteur. On assure ainsi la fluidisation des particules solides dans le réacteur de gazéification. Le réacteur de gazéification 11 est également muni dans sa partie inférieure d'une grille 25 perméable aux gaz évitant une retombée excessive de matières solides dans la conduite 20. La conduite 21 assure la communication entre la réacteur de gazéification 11 et le premier réacteur 1. On obtient ainsi un courant continu de matières solides circulantes (minerai, fer et semi-coke) à travers les trois grandes parties de l'installation. L'ensemble de l'installation constitue en théorie un réacteur parfaitement brassé, dans lequel, en régime permanent, la composition chimique des matières transportées est la même à tout moment et en tout point du réacteur.Malgré les effets possibles de variations de densité par réduction en fer métallique ou de variations de dimensions des grains par des phénomènes de collage ou d'agglutination, les conditions de fonctionnement assurent généralement cette homogénéité jusque dans la partie basse du réacteur 1 C'est donc au bas du réacteur 1 qu'a lieu, par une conduite d'évacuation 22 munie d'une vanne 23, l'extraction périodique ou continue des matières solides de l'installation. Ces matières, composées de minerai de fer réduit à 75 % au moins et de semi-coke, sont alors prêtes à être introduites dans un réacteur de fusion non représenté où sera produite la fonte. Afin de résoudre le problème exposé dans l'introduction, à savoir diminuer la quantité de semi-coke présent avec le minerai réduit dirigé vers le réacteur de fusion, on installe à la suite de la conduite 22 le dispositif suivant représenté sur la figure lb). Ladite conduite 22, verticale ou sensiblement verticale, est équipée sur une partie de sa longueur de moyens de refroidissement, tels qu'une paroi à double enveloppe 27 à circulation d'eau. Ces moyens de refroidissement sont conçus de manière à ce que le minerai réduit issu du premier réacteur 1, qui est initialement à une température de 950"C environ, voit sa température abaissée en dessous de 770"C. Cette dernière température correspond au point de Curie du fer, c'est-à-dire à la température en dessous de laquelle les particules de fer deviennent ferromagnétiques, et par conséquent peuvent être déviées par un champ magnétique. De préférence, la température visée devra être de l'ordre de 700"C pour assurer la réussite de l'opération, tout en évitant un refroidissement excessif des matières qui détériorerait le bilan énergétique de l'étape de fusion. La chaleur extraite des matières en circulation doit donc être de l'ordre de 100 th/t, si on admet qu'elles contiennent 50 % de semi-coke. En dessous de ces moyens de refroidissement 27, la conduite 22 se poursuit. Elle a une section rectangulaire et est réalisée en un matériau amagnétique résistant aux températures auquelles il est soumis (par exemple un acier inoxydable). D'autre part, elle est jouxtée par un inducteur 28 en forme de C dont les trois branches sont parallèles à trois des côtés de la conduite 22. Cet inducteur produit un champ transverse qui a pour effet d'attirer les particules de fer (symbolisées par des cercles blancs) vers l'une des deux branches latérales du C (la branche 37 sur les figures lb et lc), donc vers l'une des parois latérales de la conduite 22. Les particules de semi-coke (symbolisées par des cercles noirs), elles, ne sont pas déviées. En dessous de l'inducteur 28, la conduite 22 se divise en deux sous-conduites 29 et 30. La sous-conduite 29 est connectée à la conduite 22 sur la partie de sa section qui est proche de la face de la conduite 22 vers laquelle les particules de fer sont attirées. l'inducteur 28. Elle recueille donc la totalité du minerai de fer réduit qui a été attiré par l'inducteur 28, mélangé à la fraction de semi-coke qui est tombée à la verticale de la sous-conduite 29. La sous-conduite 30 est connectée à la conduite 22 sur le restant de sa section et ne recueille que les morceaux de semi-coke qui tombent à sa verticale. L'importance relative des sections des sous-conduites 29 et 30 doit être calculée en fonction du degré de séparation du semi-coke et du minerai réduit que l'on désire obtenir, et du pouvoir d'attraction de l'inducteur 28 sur le minerai réduit. Ce dispositif ne peut donc éviter qu'une certaine proportion de semi-coke ne tombe dans la sous-conduite 29 recueillant les morceaux de minerai réduit. Mais comme des matières carbonées doivent être de toute façon ajoutées dans le réacteur de fusion, il suffira de tenir compte pour cet ajout du semi-coke recueilli par la sous-conduite 29. Le procédé décrit consiste donc en un enrichissement en fer maîtrisé du flux de matières sortant de l'installation de réduction et dirigées vers l'étage de fusion. Si on désire obtenir un degré de séparation supérieur entre le minerai et le semi-coke, il est bien entendu possible d'installer une installation de séparation supplémentaire, similaire à la précédente, sur la sous-conduite 29. Une autre solution pour accentuer la séparation entre les particules de minerai réduit et de semi-coke consisterait à implanter des moyens de fluidisation supplémentaires en amont de la vanne 23. Ces moyens seraient réglés de manière à freiner sélectivement la chute des particules de semi-coke, de manière à éviter que la majorité d'entre elles ne passent dans la conduite 22. Celle ci recueillerait alors très majoritairement les particules de minerai réduit, dont les moyens de séparation magnétique permettraient d'améliorer encore la pureté. En variante, dans les deux exemples de configurations qui ont été décrits, il est possible d'ajouter à l'installation des moyens pour assurer une fluidisation du flux de matières solides circulant dans la conduite 22. Cette fluidisation peut être assurée par un gaz neutre ou réducteur, par exemple par une fraction des gaz produits dans l'installation de réduction et préalablement refroidis. Un effet de cette fluidisation serait d'améliorer les transferts thermiques dans la zone de refroidissement (notamment du fait du freinage de la descente des matières solides et d'une meilleure homogénéisation de la température ambiante). D'autre part, elle favoriserait la mobilité de ces mêmes matières et faciliterait ainsi la déviation des particules de fer par le champ magnétique. Ces moyens de fluidisation peuvent être constitués par des buses d'injection de gaz 31, 32, 33, 34, 35, 36 implantées sur la conduite 22 en dessous de l'inducteur 28 et au-dessus du niveau où la conduite 22 se divise en deux sous-conduites 29 et 30. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux configurations particulières qui viennent d'être décrites. On peut, en particulier, prévoir de multiplier le nombre de sous-conduites branchées sur la conduite principale 22, ou de prévoir un ou plusieurs inducteurs de configurations différentes de celle qui a été exemplifiée Elle est applicable à tout type de réacteur de réduction de minerai de fer produisant un mélange de matières ferreuses et non ferreuses, ce dernier terme désignant non seulement des matières carbonées, mais toute matière autre que du minerai de fer réduit qui aurait pu être mélangée originellement aux matières précédentes, de manière volontaire ou fortuite. REVENDICATIONS 1) Procédé de séparation de matières ferreuses et de matières non ferreuses après leur extraction simultanée d'une installation de réduction du minerai de fer, caractérisé en ce qu'on abaisse la température desdites matières ferreuses en dessous du point de Curie, en ce qu'on dévie la trajectoire desdites matières ferreuses par application d'un champ magnétique auxdites matières ferreuses et non ferreuses, et en ce qu'on collecte lesdites matières ferreuses dans au moins une conduite située à l'écart du parcours préférentiel des matières non ferreuses. 2) Dispositif de séparation des matières ferreuses et des matières non ferreuses extraites d'une installation de réduction du'minerai de fer, caractérisé en ce qu'il comporte une conduite principale (22) assurant le transport desdites matières extraites de ladite installation et pourvue de moyens (27) de refroidissement desdites matières ferreuses en dessous du point de Curie, des moyens (28) d'application auxdites matières d'un champ magnétique capable de dévier lesdites matières ferreuses hors de la trajectoire préférentielle desdites matières non ferreuses, et des moyens pour collecter lesdites matières ferreuses. 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (31, 32, 33, 34, 35, 36) pour fluidiser les matières ferreuses et les matières non ferreuses circulant dans ladite conduite principale (22). 4) Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdits moyens d'application d'un champ magnétique sont constitués par au moins un inducteur (28), jouxtant la conduite principale (22), produisant un champ transversal à la direction de déplacement des matières ferreuses et non ferreuses, et attirant les matières ferreuses dans une portion de la section de ladite conduite principale (22), et en ce que lesdits moyens pour collecter lesdites matières ferreuses comprennent au moins une sous-conduite (29) connectée en aval dudit inducteur (28) sur la portion de la section de ladite conduite principale (22) dans laquelle les matières ferreuses sont attirées par l'inducteur (28). 5) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit inducteur (28) est en forme de C et produit un champ transverse, de manière à attirer les particules vers une branche latérale(37) de l'inducteur (28).