Brevet FR2746113A1 — publié le 19970919

La présente invention est relative à la fusion de ferroalliages, en particulier à la fusion de minerais nickélifères du type latéritique en alliages ferro-nickel. Le procédé bien connu pour le traitement de minerais de ce type, tel qu'il est décrit dans les manuels, comprend la fusion du minerai dans un arc électrique à courant alternatif. Le procédé à l'arc électrique à courant alternatif exploite un effet de chauffage par résistance électrique pour produire un laitier fondu et du métal. Un réducteur est ajouté au four si bien que le nickel dans le minerai et une partie du fer sont réduits en phase métallique. Celle-ci tombe ensuite dans le fond du four duquel elle est enlevée par coulée en tant que ferronickel fondu. Le laitier flotte sur la surface et est aussi sorti par coulée du four. Plus récemment, il y a eu des progrès dans la technologie des fours à arc électrique. Le four à arc à courant continu a été mis au point parce qu'un tel four offre certains avantages distincts par rapport au four à courant alternatif. Certains de ces avantages sont applicables à la production de ferro-nickel. Le four à arc à courant continu utilise une seule électrode creuse en graphite (généralement la cathode) disposée au centre dans une enveloppe circulaire en acier doublé de matériau réfractaire audessus du bain fondu de laitier et de métal. Le courant passe de l'électrode à travers le bain fondu vers une seconde électrode (généralement l'anode) dans le foyer du four. L'électrode supérieure n'est pas immergée dans le laitier mais fait un arc avec le laitier. Le courant passe à travers le laitier vers l'électrode du fond par l'intermédiaire du bain de métal conducteur et d'un système conduisant l'électricité incorporé dans le foyer. Le four fonctionne selon un mode à bain ouvert sans aucun fardeau de charge de recouvrement. Certains avantages fournis par un fonctionnement dans un four à arc à courant continu par rapport à un fonctionnement en courant alternatif, sont les suivants - fonctionnement plus contrôlable; - possibilité d'introduire des matériaux fins en continu sans problèmes de dégagements brutaux de gaz; - possibilité de procéder à une alimentation à travers l'électrode creuse, ou de façon périphérique par des appareils chargeurs latéraux, si cela est nécessaire; - l'énergie n'est pas transférée au bain fondu par chauffage par une résistance électrique, comme dans un fonctionnement en courant alternatif, et la composition du laitier qui régit la résistivité du laitier ne constitue donc pas un point aussi important à considérer; et - l'apport d'énergie centralisé permet un meilleur contrôle de l'attaque du laitier sur les matériaux réfractaires en facilitant une formation plus efficace d'un revêtement de gel de laitier sur les matériaux réfractaires. Cependant, tous les fours à arc électrique ont l'inconvénient de nécessiter de l'énergie électrique, qui peut être coûteuse dans certains sites ou dans certains pays, pour chauffer les matériaux de charge et produire un bain fondu. Ceci représente un inconvénient particulier dans la fusion de minérais latéritiques nickélifères parce qu'il n'y a que 1% à 3% de nickel dans le minerai et qu'il faut faire fondre une très grande quantité de composants formant un laitier par rapport à la quantité de ferro-nickel produit. Malgré les avantages fournis par le fonctionnement d'un four à arc à courant continu, comme cela est décrit plus haut, le four à arc à courant continu peut être désavantageux par rapport au four à courant alternatif ce qui concerne le rendement énergétique, pour certaines applications. Son fonctionnement selon un mode à bain ouvert conduit à de plus grandes pertes d'énergie par rayonnement par rapport au four à courant alternatif dans lequel la couche de charge au-dessus du laitier diminue les pertes d'énergie thermique. Cependant, à la fois les fours à courant alternatif et à courant continu sont inefficaces du point de vue énergétique à moins que le minerai ne soit préchauffé. Ceci est souvent réalisé. Le minerai peut être préchauffé dans un four rotatif de telle sorte que du minerai chaud entre dans le four à arc électrique. Des fours de grillage à lit fluidisé ont été aussi utilisés pour préchauffer le minerai lorsqu'il est dans un état finement divisé convenable, par exemple, comme charge d'alimentation pour four à courant continu. Du gaz qui est émis par le four à arc peut être utilisé comme combustible pour le traitement de préchauffage. Il existe un autre procédé qui a été utilisé pour faire fondre des ferro-alliages, bien qu'autant que le sache la demanderesse et au moins dans le cas de minerais latéritiques nickélifères, jamais à grande échelle. Ce procédé est en général décrit comme comprenant l'utilisation d'oxygène ou d'air enrichi en oxygène ainsi qu'une source de combustible, qui sont injectés dans un four dans lequel a lieu une combustion. Ce type de four est désigné ici sous le nom de four à oxyair/combustible. Le développement de ce type de four de fusion a été mené au CSIRO en Australie sous le nom de "SIROSMELT" Un développement ultérieur dans le commerce a été effectué par deux organisations qui utilisent les dénominations commerciales "ISASMELT" et "AUSMELT" Les références suivantes décrivent la mise au point de ces fours. Floyd J.M. and Conochie D.S., "SIROSMELT - The First Ten Years" Extractive Metallurgy Symposium, Parkville, Australasian IMM. 1984, pp 1-8, (Australasian IMM Symposia Series, No. 36). Brew R.B.M., "Status Report on Isasmelt", Minerals lndustry International, March 1994, pp 15-17. Floyd J.M. and Short W.E., "Ausmelt Development of Topsubmerged Lance Technology", Minerals Industry International, March 1994, pp 18-24. Si une lance est insérée dans un bain de laitier liquide, et que de l'air ou de l'air enrichi en oxygène et un combustible, comme du charbon, du pétrole ou du gaz naturel, sont injectés à travers la lance dans le bain, le bain peut alors être alimenté en énergie pour maintenir le liquide à l'état fondu et pour faire fondre la charge de minerai entrante avec ou sans une réduction notable. La lance est protégée du laitier fondu par l'effet de refroidissement exercé par le gaz passant à travers la lance. La réduction du minerai peut être entreprise en même temps, et peut être réalisée par introduction d'un excès de réducteur sous la forme de charbon ou d'un autre matériau carboné. Un inconvénient de ce type de procédé est qu'il génère un volume de gaz, dû à la combustion partielle du combustible et aux réactions de réduction, supérieur à celui qui est produit dans un four à arc électrique. Ceci conduit aussi à des pertes de poussières. La présente invention fournit un procédé de traitement d'un matériau métallifère pour la production de ferro-alliage, qui comprend les étapes de production de laitier fondu par fusion du matériau dans un four à oxy-air/combustible, et de production d'un ferro-alliage par réduction du laitier fondu dans un four à arc électrique. Les conditions de fonctionnement du four à oxyair/combustible vont comprendre le degré de réduction et la température du laitier. Le degré de réduction sera très limité et par exemple, peut être suffisant pour réduire au moins 50% de l'oxyde de fer dans le minerai et de préférence environ 90% de l'oxyde de fer en wüstite (FeO). Si un rapport supérieur de combustible à air est utilisé tel qu'une plus grande quantité d'oxyde de fer est réduite, il est alors produit une quantité excessive de gaz. La température du laitier doit être suffisamment élevée pour que le laitier liquide puisse être transféré à coup sûr. La combinaison des conditions utilisées pour les deux fours est choisie pour réduire le coût total de l'énergie consommée dans le procédé. Le coût total d'énergie dépend à son tour du coût relatif de l'énergie électrique et du charbon, et de l'apport d'énergie requis en provenance de l'énergie électrique et du charbon, respectivement. Le procédé mentionné plus haut convient en particulier pour la fusion de minerais nickélifères du type latéritique, et la production de ferro-nickel. Dans un four à oxy-air/combustible, l'oxygène et le charbon ou toute autre source d'énergie carbonée convenable, peuvent être injectés dans un bain de laitier fondu à travers la lance. L'oxygène peut être transporté dans l'air. Le minerai ou toute autre forme de matériau métallifère, peut être chargé en continu ou par lots dans le bain de laitier fondu. Les gaz et des poussières entraînées générés dans le four à oxyair/combustible, peuvent être éliminés ou séparés les uns des autres et les poussières peuvent être chargées dans l'un ou les deux fours. L'énergie peut être récupérée à partir du gaz, par exemple par refroidissement du gaz dans une chaudière pour produire de la vapeur qui peut ensuite être utilisée pour générer de l'électricité. Le four à arc électrique est de préférence un four à arc à courant continu. L'invention est davantage décrite à titre d'exemple en référence au dessin cijoint qui représente schématiquement un procédé suivant la présente invention pour la fusion d'un minerai nickélifère latéritique. Le dessin cijoint illustre un procédé de chauffage et de fusion suivant la présente invention, pour le traitement d'un minerai de nickel latéritique. Le procédé selon la présente invention comprend deux principales étapes, à savoir la fusion du matériau métallifère ou minerai 14 dans un four à oxy-air/combustible 10 et une étape de réduction qui est effectuée dans un four à arc à courant continu 12. Le matériau 14 est séché ou préchauffé dans un préchauffeur 15 et est ensuite chargé dans le four à oxy-air/combustible 10. Le préchauffeur 15 peut être un four rotatif, un lit fluidisé ou un autre dispositif convenable qui utilise de préférence comme source d'énergie, un gaz comme du monoxyde de carbone, qui est produit dans le four à arc à courant continu 12. Après avoir été préchauffé, le matériau 14 est chargé dans le four à oxy-air/combustible 10 dans lequel il est fondu sous l'effet de la chaleur libérée par la combustion de l'air enrichi en oxygène 16 qui est injecté avec du charbon 18 ou toute autre source d'énergie carbonée convenable, à travers une lance qui est insérée dans le bain de laitier liquide dans le four à oxy-air/combustible 10. Le matériau ou minerai 14 est chargé en continu dans le bain de laitier fondu pour que la fusion ait lieu. Il est produit un très faible excès de monoxyde parce que le gaz est presque totalement brûlé en dioxyde de carbone. L'importance de la réduction qui a lieu n'est pas notable et elle est telle qu'environ 90% de l'oxyde de fer sont réduits en wüstite (FeO). Ceci est avantageux dans la mesure où lorsque le degré de réduction augmente, il est produit un plus grand excès de gaz. Le gaz 20 qui est généré dans le four à oxyair/combustible 10 est extrait et chargé dans un séparateur 22 qui sépare les poussières entraînées 24 du gaz. Les poussières séparées sont chargées soit dans le four à arc à courant continu 12 à travers son électrode creuse, soit dans le four à oxy-air/combustible, éventuellement après agglomération. Le gaz séparé 23 peut être chargé dans un dispositif 25 qui contient une chaudière qui produit de la vapeur à partir du gaz chaud. La vapeur peut ensuite être utilisée pour générer de l'électricité. Cette étape de récupération d'énergie augmente la viabilité économique du procédé de la présente invention. Le laitier fondu 26, dans lequel se trouvent encore des oxydes de nickel et de fer, est transféré dans le four à arc à courant continu 12 en continu ou par lots. Du charbon 28 ou tout autre réducteur convenable, est chargé dans le bain fondu dans le four à arc à courant continu. Aucune combustion n'a lieu puisqu'il n'est pas introduit d'air dans le four. En conséquence, aucun gaz en excès n'est produit et le gaz, qui a une forte teneur en monoxyde de carbone, comme cela est déjà décrit, convient pour subir une post-combustion ultérieure dans le préchauffeur 15 afin de fournir de l'énergie pour le séchage ou le préchauffage du matériau 14 dans un four rotatif ou un lit fluidisé ou une opération de préchauffage analogue. De l'énergie électrique 30 pour le four à arc à courant continu 12 est utilisée pour maintenir le laitier à l'état fondu de telle sorte que l'oxyde de nickel dans le laitier et une partie de l'oxyde de fer peuvent être réduits en phase métallique. La phase métallique tombe au fond du four et est enlevée par coulée de ferro-nickel fondu 32 hors du four. Le laitier appauvri flotte à la surface du bain fondu et est aussi enlevé par coulée. L'énergie électrique 30 fournie au four à arc n'est pas utilisée pour faire fondre le minerai. La fusion a lieu dans le four à oxyair/combustible 10 et pour cette étape, de l'énergie sous la forme moins coûteuse de charbon ou de toute autre source d'énergie carbonée convenable comme du pétrole ou du gaz, est utilisée plutôt que de l'énergie électrique. La combinaison des deux fours optimise donc le coût de l'énergie utilisée dans le procédé de l'invention. L'énergie moins coûteuse est utilisée pour la fusion tandis que l'énergie électrique est employée dans l'étape de réduction. Le four à oxy-air/combustible 10 peut être du type mis au point par le CSIRO d'Australie sous la dénomination commerciale de SIROSMELT et commercialisé sous les dénominations commerciales ISASMELT et AUSMELT. Ceci n'est pas limitatif et un quelconque équivalent du four à oxy-air/combustible peut être utilisé à sa place. Exemple du procédé de la présente invention Trois tonnes d'un échantillon de minerai latéritique provenant d'Indonésie sont chargées dans un petit four à oxyair/combustible construit par l'AUSMELT Company. Le four est chauffé avec du gaz naturel. Le minerai est chargé dans le four à raison de 100 kg/h. Une petite quantité de sable de silice est ajouté comme fondant. Le laitier est sorti par coulée du four à une température de 1500"C. Le minerai et le laitier sont analysés et les résultats sont indiqués dans le tableau suivant. Le degré de réduction du fer est exprimé sous la forme de la valence du fer. Il faut remarquer que la proportion de la forme réduite du fer à la forme oxydée est d'environ 53%. Ni Co Fe Fe3+ Fe2+ SiO2 MgO CaO A12Oo Latérite 1,95 0,10 19,4 18,3 1,1 33,4 24,0 0,08 0,78 Laitier 1,73 0,12 17,2 8,0 9,2 42,2 26,2 1,63 1,93 Comme le four de fusion et le four à arc à courant continu ne sont pas au même endroit, il est nécessaire de récupérer le laitier du four de fusion par granulation dans l'eau. Le laitier est transféré dans le four à arc à courant continu. Le four à arc à courant continu fonctionne à 200 kVA. Le laitier est chargé dans le four à arc à courant continu avec du coke obtenu à partir d'un four à coke. Quatre tests séparés sont effectués dans lesquels le rapport du laitier du four au coke est modifié. Le laitier et le métal récupérés à partir du four à arc à courant continu sont pesés et analysés et les résultats sont rassemblés dans le tableau suivant. Comme le four AUSMELT était très petit et que les pertes thermiques étaient élevées, il n'a pas été possible de mesurer la consommation d'énergie pendant l'essai. I1 est calculé que l'énergie qui serait requise pour chauffer le minerai et pour le faire fondre en laitier pour le transfert à l'état liquide vers le four à arc à courant continu, serait de 0,4 MWh par tonne de laitier transféré. De plus, une partie du fer est réduite, ce qui consomme 0,065 MWh par tonne de laitier. L'énergie mesurée pendant les trois derniers essais dans le four à arc à courant continu était en moyenne de 0,68 MWh par tonne de laitier transféré. Si un transfert à chaud avait eu lieu, la consommation d'énergie aurait été de 0,215 MWh par tonne de laitier. Ceci correspond à 0,2 MWh par tonne de minerai fondu. L'économie d'énergie électrique liée à l'utilisation du four à oxy-air/combustible (si un transfert à chaud a lieu) est donc de 0,433 MWh par tonne de minerai traité. Une énergie fournie par un combustible moins coûteux est utilisée pour chauffer le minerai dans le four à oxy-air/combustible. Formulation 1 2 3 4 LaitierAusmeît,kg 501 401 398 512 Red., kg coke/t laitier chargé 26,2 28,7 35,6 40,4 Temp. de coulée, OC 1551 1582 1633 1618 Masses de produit, kg Laitier usé 491 381 357 441 Alliage 27,5 21,7 37,7 47,2 Analyses du laitier, % NiO 0,17 0,15 0,09 0,07 CoO 0,04 0,04 0,02 0,02 FeO 16,6 14,8 11,6 9,87 SiO2 42,2 44,7 47,3 49,3 MgO 28,1 29,4 31,1 31,6 CaO 1,93 1,94 2,05 2,18 A1203 2,87 2,53 2,79 2,69 Analyses de l'alliage, % Co 2,5 1,7 1,2 1,0 Fe 42,3 64,8 79,6 83,1 Ni 55,1 33,5 19,2 15,9 Si 0,09 0,11 0,33 0,26 C 0,0 0,0 0,05 0,26 P 0,18 0,32 0,15 0,33 S 0,13 0,15 0,19 0,25 Récupération d'éléments dans l'alliage, % Ni 90,6 92,9 95,5 96,6 Co 54,1 65,4 78,3 84,7 Fe 6,5 18,7 39,3 46,6 Notes: Red. = réducteur NEC = consommation d'énergie nette REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'un matériau métallifère pour la production de ferro-alliage, qui est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de production de laitier fondu par fusion du matériau dans un four à oxy-air/combustible, et de production d'un ferro-alliage par réduction du laitier fondu dans un four à arc électrique. 2. Procédé suivant la revendication 1, qui est caractérisé en ce qu'il comprend l'étape de transfert de laitier fondu depuis le four à oxy-air/combustible jusqu'au four à arc électrique. 3. Procédé suivant les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que de l'oxygène ou un air enrichi en oxygène, et une source d'énergie carbonée, sont injectés dans un bain de laitier fondu dans le four à oxy-air/combustible. 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le four électrique est un four à arc à courant continu. 5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, qui est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes d'élimination et de séparation du gaz et des poussières entraînées générés dans le four à oxy-air/combustible, et de charge des poussières dans au moins l'un des fours. 6. Procédé suivant la revendication 5, qui est caractérisé en ce qu'il comprend l'étape de récupération d'énergie à partir du gaz. 7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, qui est caractérisé en ce qu'il comprend l'étape de séchage ou de préchauffage du matériau métallifère avant l'introduction du matériau dans le four à oxy-air/combustion. 8. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que du monoxyde de carbone produit dans le four à arc électrique est utilisé comme source d'énergie pour l'étape de séchage ou de pré chauffage. 9. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le matériau métallifère est un minerai nickélifère du type latéritique et que le ferro-alliage est un ferro-nickel.