Brevet FR2819267A1 — publié le 20020712

La présente invention a pour objet un procédé de bouletage de minerai de fer et une installation de mise en oeuvre dudit procédé. Le minerai de fer utilisé pour la fabrication d'acier est très rarement disponible naturellement sous une forme directement utilisable par l'industrie sidérurgique. Il faut le plus souvent lui faire subir diverses étapes de concentration et de préparation pour le rendre compatible avec les procédés métallurgiques actuels. En effet, le minerai calibré est de plus en plus rare et ce dernier ne répond pas toujours aux exigences des procédés d'élaboration du métal. La première étape classique de la préparation du minerai de fer consiste à lui donner une composition chimique déterminée. Le minerai est en effet généralement trop pauvre en fer et trop riche en oxydes indésirables, tels que de la silice, pour être utilisé dans un procédé de production de métal. Pour améliorer ses qualités, il est broyé puis les particules d'oxyde de fer sont concentrées jusqu'à l'obtention d'une teneur en fer élevée. La seconde étape consiste à donner à ce minerai broyé des caractéristiques mécaniques et physiques qui lui confèrent suffisamment de résistance pour supporter les contraintes subies dans les procédés métallurgiques tels que les hauts fourneaux ou les fours de réduction directe. Ces caractéristiques sont notamment la tenue mécanique à hautes températures, la réductibilité, la résistance à l'abrasion, la porosité, etc. Cette deuxième étape passe par une phase d'agglomération des minerais sous forme de particules de granulométrie moyenne à partir des fines concentrées. Un de ces procédés dénommé le"bouletage" permet d'obtenir des boulettes de minerai de fer d'un diamètre de l'ordre de 10 mm. Cette transformation est généralement effectuée par les compagnies minières sur les sites d'extraction ou sur les ports d'exportation du minerai, le minerai vendu aux sidérurgistes étant alors un minerai aggloméré en boulette. Sur la figure 1 annexée, on a représenté un exemple d'installation connue de bouletage. L'installation comporte une première partie 12 de formation des boulettes crues. Le minerai est mélangé dans des proportions voulues avec certains additifs tels que des fondants, des liants et éventuellement un combustible sous forme de poussier de coke par exemple. A la sortie 14 de la partie 12 de l'installation, on dispose donc de boulettes crues présentant un diamètre convenable, mais une faible résistance mécanique. Les boulettes sont chargées sur un convoyeur d'entraînement (ou grille) 16 en formant un lit d'une épaisseur de l'ordre d'une vingtaine de centimètres. La grille 16 se déplace dans un tunnel 20, dans lequel on crée un courant de gaz chauds obtenus par des brûleurs non représentés sur la figure 1. La grille 16 est constituée par une bande perméable aux gaz, le plus souvent en matériaux métalliques, pour permettre une circulation forcée de gaz chauds à travers le lit de boulettes par l'intermédiaire de ventilateurs non représentés. Le tunnel 20 est séparé en plusieurs zones fonctionnelles qui, elles-mêmes, peuvent être subdivisées en plusieurs étapes. On trouve tout d'abord la zone 22 de séchage dans laquelle l'eau libre présente dans les boulettes est évaporée, puis l'eau de constitution est éliminée à son tour. A la sortie de la zone de séchage, les matières carbonées (fondants) sont calcinées entraînant un échappement de gaz carbonique. Dans la section suivante 24 dite de préchauffage, la circulation d'air dans le lit de boulettes est comparable à celle du sécheur. Le fer sous forme Fie2+ present est oxydé par l'oxygène présent dans les gaz circulant à travers le lit de boulettes pendant que le lit de boulettes traverse cette section. Cette réaction dégage une quantité de chaleur importante qui s'ajoute à celle apportée par les brûleurs. Lorsque la quantité de Fe2+ présente est insuffisante, du combustible fossile est mélangé au minerai et sa combustion dans cette section de préchauffage compense l'apport de chaleur donnée par l'oxydation dans le cas où la magnétite est majoritaire dans les boulettes. Ces réactions d'oxydation du fer sont très importantes pour la qualité du produit et doivent être terminées avant le frittage du minerai pour obtenir un produit final de bonne qualité. Les réactions de frittage commencent à la fin de la section 24 de préchauffage. Les boulettes à la sortie de la section 24 sont chargées, dans ce mode de réalisation, dans un four tournant 26 muni d'un gros brûleur. Les gaz chauds circulent essentiellement transversalement par rapport à la direction de déplacement des boulettes de minerai. Les boulettes sont chauffées par la flamme et le rayonnement des réfractaires constituant le four. Elles sont ainsi maintenues à une haute température durant leur séjour dans le four. C'est durant cette étape qu'a lieu le frittage et la recristallisation qui donneront leurs propriétés mécaniques aux boulettes. Dans d'autres installations, la section de chauffage peut être constituée par un prolongement du tunnel analogue à celui qui définit les zones 22 et 24 (chaîne droite). Enfin, l'installation se termine par une zone 28 de refroidissement dans laquelle les boulettes sont refroidies jusqu'à la température ambiante par des circuits 30 de circulation forcée d'air froid à travers le lit de boulettes. Le plus souvent, l'air sortant du refroidisseur est utilisé dans la zone de séchage 22 ou dans le four 26. Si la productivité de l'installation est élevée et si le minerai utilisé contient un taux important de magnétite, la réaction d'oxydation n'a pas le temps de se produire convenablement dans la partie préchauffage 24 de l'installation. L'oxydation n'ayant pas lieu dans le four tournant, lorsque l'installation en est équipée, les refroidisseurs terminent cette oxydation et fonctionnent par conséquent comme des fours sur une partie de leur longueur. Les ventilateurs étant limités en capacité, le flux d'air dans les refroidisseurs ne peut être augmenté. La longueur restante pour refroidir la charge n'est plus suffisante, ce qui devient un goulot d'étranglement pour la productivité de l'installation. De plus, le frittage d'une boulette non totalement oxydée dégrade la qualité du produit obtenu. Il est courant de constater une oxydation réalisée à 60 % seulement à la sortie du préchauffage. Par conséquent, il serait très utile à la fois pour la productivité et pour la qualité des boulettes d'augmenter le taux d'oxydation atteint à la sortie du préchauffage sans diminution de productivité ou même avec augmentation de celle-ci. Il est à noter que, dans le cas d'une chaîne droite, c'est-à-dire sans four tournant, le problème de l'oxydation dans les refroidisseurs n'existe pas. En revanche, si l'on trouve un moyen d'accélérer celle-ci lors du préchauffage, cela permet tout de même d'augmenter la vitesse globale du procédé et d'améliorer la qualité du produit en réalisant l'oxydation avant le frittage. Ainsi, quel que soit le type d'installation, une amélioration de l'oxydation est souhaitable. Pour accélérer la réaction d'oxydation, on a proposé d'enrichir en oxygène l'air circulant dans le lit de boulettes. C'est ce qui est proposé notamment dans les documents GB 2 098 190 et US 4 313 757. Cependant, les quantités d'air mises en jeu sont importantes et le procédé fonctionne avec un gros excès d'air. Les quantités d'02 à mettre en oeuvre pour enrichir l'air sont donc énormes. De plus, l'équipement n'étant pas étanche, une partie non négligeable de l'oxygène utilisé risque de s'échapper de l'installation avant d'avoir été utilisée pour produire l'oxydation. Bien que l'utilisation d'oxygène apparaisse comme techniquement souhaitable, les techniques mentionnées ci-dessus ont été abandonnées car, avec ces techniques, l'utilisation d'oxygène aboutit à une solution économiquement non viable du fait des quantités mises en jeu. Un objet de la présente invention est de fournir un procédé de bouletage qui permette d'améliorer l'oxydation du minerai tout en limitant la consommation d'oxygène nécessaire et donc en maintenant la viabilité économique de l'installation. Pour atteindre ce but selon l'invention, le procédé de bouletage de minerai de fer comprend les étapes suivantes : - on fournit des boulettes constituées par un mélange de minerai de fer et d'additifs, - on forme un lit desdites boulettes qui est déplacé dans une installation de traitement comprenant une zone de séchage, une zone de préchauffage et une zone de chauffage, lesdites zones étant alimentées par une circulation à contre-courant de gaz chauds produits en partie par des brûleurs, et une section de refroidissement disposée à la sortie desdites zones ; -on mesure dans lesdites zones ou portions de zone la température desdits gaz chauds ; - on compare lesdites températures mesurées à une valeur maximale prédéterminée et à une valeur minimale prédéterminée ; et - on injecte, au moins dans certaines desdites zones ou portions de zone pour lesquelles la température mesurée est comprise entre ladite valeur maximale et ladite valeur minimale, de l'oxygène, en en contrôlant le débit, par quoi on améliore sensiblement l'oxydation du minerai de fer contenu dans lesdites boulettes à la sortie desdites zones. On comprend que, grâce à la mesure préliminaire de la température dans l'installation, on peut déterminer la ou les portions de zones de celle-ci dans lesquelles la température est comprise entre les valeurs maximales et minimales et limiter l'injection d'oxygène à ces zones ou portions de zone. Ces valeurs maximales et minimales sont respectivement de l'ordre de 1 300OC et 600OC et de préférence encore 1 100OC et 850OC. Il a été mis en évidence par les inventeurs que c'est dans cette plage de températures que l'effet de l'excès d'oxygène sur l'oxydation du minerai de fer avait le meilleur rendement. On comprend qu'en localisant l'injection d'un excès d'oxygène, on limite la consommation de ce gaz tout en améliorant la performance de l'installation de bouletage. Un deuxième objet de l'invention est de fournir une installation notamment pour la mise en oeuvre du procédé défini. L'installation de bouletage pour le traitement de boulettes de minerai constituées par du minerai et des additifs comprend : - une zone de séchage, une zone de préchauffage, une zone de chauffage et une section de refroidissement, des moyens pour déplacer un lit desdites boulettes dans lesdites zones et dans ladite section, lesdites zones et ladite section étant équipées de moyens de chauffage et de circulation de gaz chaud ; - des moyens pour mesurer la température dans lesdites zones ou dans des portions desdites zones, - des moyens pour comparer les températures mesurées à une valeur maximale prédéterminée et à une valeur minimale prédéterminée, - des moyens pour alimenter en oxygène, en en contrôlant le débit, au moins certaines desdites zones ou portions de zone pour lesquelles la température mesurée est comprise entre ladite température maximale et ladite température minimale. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de mise en oeuvre de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées, sur lesquelles : - la figure 1, déjà décrite, montre une installation de bouletage selon l'état de la technique ; - la figure 2 montre une installation de bouletage conforme à l'invention ; - la figure 3 montre des courbes expérimentales donnant le taux final d'oxydation du fer en fonction de la température maximale pour différentes teneurs en oxygène ; et - la figure 4 montre des courbes expérimentales donnant la vitesse d'oxydation en fonction de la température maximale. Ainsi qu'on l'a déjà exposé succinctement, le procédé de bouletage consiste à utiliser une installation de bouletage du même type que celle déjà utilisée mais, dans une première étape, on détermine les températures durant la phase de fonctionnement normal de l'installation dans les zones notamment de séchage 22, de préchauffage 24 et éventuellement de chauffage 26. Pour cela, de préférence, chacune de ces zones est équipée de plusieurs capteurs de température tels que C1, C2,... C6 qui sont montés dans la zone de séchage, dans la zone préchauffage et éventuellement dans la zone de chauffage constituée par le four tournant 26. Ces températures sont fournies à une installation de traitement 40 qui effectue la comparaison entre les températures mesurées par les différents capteurs Ci et les températures maximales et minimales prédéterminées correspondant aux régions de températures les plus favorables pour produire l'oxydation par un excès d'oxygène. Comme on l'a déjà indiqué, les plages de températures sont de 600 à 1 300OC et de préférence de 850 à 1 100OC, ce dernier intervalle de températures correspondant à l'énorme majorité des minerais à traiter. Les figures 3 et 4 montrent des courbes enregistrées lors d'essais isothermes en laboratoire. Un échantillon de minerai est chauffé à une température T sous atmosphère inerte. Cette température, une fois stabilisée, est conservée constante tout le long de l'essai. L'échantillon est alors soumis à une atmosphère composée d'azote et d'oxygène et dont la teneur en oxygène est contrôlée. La variation de masse résultant de l'oxydation du minerai par l'oxygène de l'atmosphère est enregistrée en fonction du temps afin de suivre quantitativement le phénomène. Les courbes représentées sur la figure 3 fournissent le taux d'oxydation finale du minerai en fonction de la température maximale dans laquelle est placé le minerai pour des taux d'injection d'oxygène de 15 % (A), 18 % (B), 21 % (C) et 23% (D). On voit que ces courbes présentent une zone d'oxydation maximale dans la plage de 700oC à 1 300OC. Les courbes de la figure 4 donnent la vitesse d'oxydation moyenne du minerai en mol. g' s-1 en fonction de la température maximale pour quatre teneurs en oxygène. Ces courbes rendent compte de la "vitesse d'oxydation"qui présente un maximum dans la zone de température allant de 800OC à 1 200OC. Le choix des plages de températures 600OC à 1 300OC et de préférence de 850OC à 1 100OC résulte d'un compromis entre les résultats correspondant à ces deux séries de courbes. Après cette étape de comparaison, on détermine les portions de zone dans lesquelles cette plage de température est atteinte, zones ou portions de zone où l'on doit procéder à l'injection d'oxygène. Après cette phase préliminaire d'acquisition d'information, on équipe les zones ou portions de zones d'injecteurs d'oxygène tels que Il et 12 qui, dans l'exemple particulier montré sur la figure, sont disposés dans la zone de préchauffage 24. Ces injecteurs sont reliés à une source d'oxygène 44 par l'intermédiaire d'un système approprié. La commande de ces vannes aux moyens analogues permet de régler le débit d'oxygène en fonction d'informations complémentaires telles que la teneur en oxygène dans l'air, etc., qui sont fournies par d'autres capteurs tels que K1, K2, etc. Les indications fournies par ces capteurs et transmises à l'ensemble de traitement 40 permettent d'adapter le débit d'oxygène dans les différentes zones ou portions de zones de l'installation de bouletage. On comprend que, dans le cas où l'installation comporte un four tournant 26, l'injection d'oxygène soulève des problèmes spécifiques et cette solution ne sera adoptée que dans des cas particuliers. En revanche, lorsque la zone de chauffage est une extension de la zone de préchauffage, t'injection d'oxygène pourra être réalisée dans la zone de chauffage si les températures des gaz dans cette zone sont comprises dans les plages mentionnées ci-dessus. REVENDICATIONS 1. Procédé de bouletage de minerai de fer comprenant les étapes suivantes : - on fournit des boulettes constituées par un mélange de minerai de fer et d'additifs, - on forme un lit desdites boulettes qui est déplacé dans une installation de traitement comprenant une zone de séchage, une zone de préchauffage et une zone de chauffage, lesdites zones étant alimentées par une circulation de gaz chauds produits en partie par des brûleurs, et une section de refroidissement disposée à la sortie desdites zones ; - on mesure dans lesdites zones ou portions de zone la température desdits gaz chauds ; - on compare lesdites températures mesurées à une valeur maximale prédéterminée et à une valeur minimale prédéterminée en fonction du minerai traité ; et - on injecte, au moins dans certaines desdites zones ou portions de zone pour lesquelles la température mesurée est comprise entre ladite valeur maximale et ladite valeur minimale, de l'oxygène, par quoi on améliore sensiblement l'oxydation du minerai de fer contenu dans lesdites boulettes à la sortie desdites zones. 2. Procédé de bouletage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite température maximale est égale à 1 300oC et ladite température minimale égale à 600OC. 3. Procédé de bouletage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite température maximale est égale à 1 100OC et la température minimale est égale à 850oC. 4. Installation de bouletage pour le traitement de boulettes de minerai constituées par du minerai et des additifs comprenant : - une zone de séchage, une zone de préchauffage, une zone de chauffage et une section de refroidissement, - des moyens pour déplacer un lit desdites boulettes dans lesdites zones et dans ladite section, lesdites zones et ladite section étant équipées de moyens de chauffage et de circulation de gaz chauds ; - des moyens pour mesurer la température dans lesdites zones ou dans des portions desdites zones, - des moyens pour comparer les températures mesurées à une valeur maximale prédéterminée et à une valeur minimale prédéterminée, - des moyens pour alimenter en oxygène, en en contrôlant le débit, au moins certaines desdites zones ou portions de zone pour lesquelles la température mesurée est comprise entre ladite température maximale et ladite température minimale. 5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite température maximale est égale à 1 300OC et ladite température minimale est égale à 600OC. 6. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite température maximale est égale à 1100C et ladite température minimale est égale à 850OC.