BE1000419A3

BE1000419A3 - Procede de fabrication de metaux, du minerai de fer en particulier, a partir de minerais oxydiques de granulometrie quelconque, dans un four a passage continu rempli d'un bain catalyseur.

Info

Publication number: BE1000419A3
Application number: BE8700291A
Authority: BE
Original assignee: Elsentooling Ireland Ltd
Priority date: 1987-03-23
Filing date: 1987-03-23
Publication date: 1988-12-06
Also published as: NZ222454A; AU8061187A

Abstract

Procédé de fabrication de métaux, de fer en particulier, à partir de minerais oxydiques de granulométries quelconques (de 0 à 200.000 um), au cours duquel le minerai (de fer par exemple) est chauffé jusqu'à liquéfaction dans un bain porteur qui n'est pas le bain du produit fini (de fer par exemple), puis est affiné à l'aide d'un agent réducteur approprié, de préférence du carbone, au cours de la réduction directe et indirecte. En cours d'opération, le métal est débarrassé de sa gangue et des éléments indésirables, puis est acheminé aux fins d'une application appropriée (par exemple la fabrication de l'acier).

Description

"Procédé de fabrication de mentaux, du minerai de fer en particulier, à partir de minerais oxydiques de granulométrie quelconque, dans un four a passage continu rempli d'un bain catalyseur"
La présente invention porte sur un procédé de fabrication de mentaux, du fer en particulier, à partir de minerais oxydiques de granulométries quelconques (de 0 ä 200. 000 tin). Au cours de ce procédé, le minerai (de fer par exemple) est chauffé jusqu'à 1iquéfac- tion dans un bain porteur qui n'est pas le bain du produit fini (du fer par exemple), puis est affine ä l'aide d'un agent réducteur approprié, du carbone de preference, au cours de la réduction directe et indirecte.

En cours d'opération, le métal est débarrassé de sa gangue et des éléments indésirables, puis est achemine aux fins d'une application appropriée (de la fabrication de l'acier par exemple).

La sidérurgie moderne emploie plusieurs procédés pour extraire par exemple le fer de son minerai. Le principe des procédés s'inspire quasiment toujours de la technique fondamentale employée dans les hauts-fourneaux, dont la rentabilité majeure réside dans l'exploitation poussée des gaz réactionnels (monoxyde de carbone CO) issus de la réduction finale et dirigés vers la zone de préréduction dans le même haut-fourneau.

Reduction finale ou directe : C + 1/2 O2 . . - CO minerai

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Prereduction ou réduction indirecte : CO+ 1/2 02. C02 minerai Le produit gazeux de la reduction finale (gaz CO) quitte son lieu de formation, traverse le volume poreux des matlbres en vrac chargées ä l'extrémité superieure de la cuve et composées de minerai et de coke. Le gaz cède de sa chaleur aux matières en vrac tout en puisant, en contrepartie, de l'oxygène dans le minerai. Ce phénomène d'oxydation prend fin dès que s'est formé le dernier niveau d'oxydation avec apparition de gaz carbonique CO2 .

Siumulanément, la teneur en oxygène du minerai diminue jusqu'à apparition de FeO, lequel sera totalement et directement réduit en fer ä l'aide du carbone, cette opération étant certes celle qui consomme le plus d'énergie.
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Pour des questions de rentabilité économique, le monoxyde de carbone CO, circulant par perméabilité dans la cuve du haut-fourneau, joue un rôle de premièvre importance. Le responsable de la perméabilité au gaz, cruciale dans ce processus, c'est uniquement le volume poreux surcritique des matières en vrac. Pour que le processus se maintienne, il faut que le volume poreux reste en permanence surcritique. Toutes les autres composantes du processus doivent se subordonner
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ä cet impératif.

Ainsi, par exemple, faut-il employer du coke, mécaniquement plus solide, à la place du charbon, pour que le contenu de la cuve conserve son volume poreux.

Pour la meme raison, la granulométrie moyenne (40. 000 m environ) est assez élevée. La température du processus ne doit pas non plus dépasser un certain maximum, vu qu'il faut aussi empêcher que les pores ne se bouchent par frittage. Si, pour une raison quelconque, le'volume poreux surcritique diminue, l'intégralité du processus s'en trouve paralysée.

La perte de temps necessaire à l'réchauffement et à 1a réduction est particulièrement lourde du fait de l'assez mauvaise communication de la chaleur entre le gaz et le minerai solide et le coke. Par consequent c'est la longueur du cycle qui dicte les grandes dimensions du haut-fourneau.

Le processus proprement dit se caractérise par une consommation surstoechiométrique de carbone. Cela s'explique par la consommation supplémentaire d'énergi de réduction finale en regard de celle employée ä pre" réduire les minerais. Vu que l'on n'utilise qu'un type d'énergie, l'énergie primaire, la reduction finale produit plus de monoxyde de carbone CO qu'il n'en faut
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pour la préréduction.

On est heureusement en mesure d'oxyder par la chaleur les excédents de monoxyde en Czar postcombustion exothermique avec de l'oxygbne gazeux. Il est toutefois regrettable que cette opération doive se dérouler non pas dans mais hors du four, et qu'en outre elle occasionne des pertes par conversion au niveau du circuit de préchauffage de l'air de soufflage.

Le minerai et le coke, c'est une autre raison, circulent dans le même sens dans le four. L'échange de chaleur et l'échange entre substances sont fondamentalement meilleurs lorsque les partenaires réactifs circulent en sens contraire l'un de l'autre.

Néanmoins, le processus de haut-fourneau domine par sa rentabilité, parce qu'il permet d'exploiter de façon poussée, aux fins du processus lui-mimez l'ener- gie produite dans le haut-fourneau. Il s'agit lä d'un critère de reference auquel tous les autres procédés
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doivent répondre.

Or, l'on a réussi, pour la première fois, à satisfaire ä cet impératif bilan énergétique dans un nouveau procédé. Il s'agit du procédé KR, par la suite

du procédé COREX, au cours duquel la cuve du haut- fourneau est maintenue dans son principe comme l'est le foyer liquide. Ces deux secteurs opèrent certes séparés l'un de l'autre mais sont reliés entre eux pour former un système. L'avantage reside ici en ce qui l'on emploie du charbon et non plus du coke comme réducteur. Ce charbon est gazéifié en bain liquide et se charge dans ce bain de la réduction finale des minerais charges dans la cuve et déjà préréduits.

La prereduction s'obtient par les gaz CO nés de la réduction finale, qui circulent ä contre-courant, sous pression, dans la cuve remplie de minerai. Toutefois, et en dépit de la pression de service accrue du monoxyde de carbone, seuls se laissent réduire les grains de minerai dépassant les 5000 m. Ceci restreint donc 1'6ventail granulométrique des minerais employables.

Le haut-fourneau a toujours "parrainé" la mise au point de nouveaux procédés. Ces procédés se rangent parmi ceux oü seule l'opération a lieu dans une cuve (procédé à réduction directe) ou ceux où elle a lieu dans un foyer liquide (procédé de réduction du bain de fer).

Le principe de la premibre catdgorie de proche- des existe en fait depuis qu'existe l'extraction du fer.

On peut aujourd'hui, de cette manière, fabriquer du fer à l'état solide, d'une teneur résiduelle en oxygène de 5 %. M8me aujourd'hui pourtant, il n'est pas encore libéré de sa gangue à la fin du processus.

Cette liberation se produit en même temps que la liquéfaction dans un second four. Vu que tous les pro- cedes se déroulent dans une cuve remplie de matibres en vrac, ils doivent se soumettre, eux aussi, aux lois de la perméabilité aux gaz et de la granulométrie du minerai. Avec des fours à cuve plus petits que la cuve

d'un haut-fourneau, on peut travailler des granulométries plus fines de minerai (10. 000 à 20. 000 m).

On peut en outre utiliser le charbon. Toutefois, on ne peut pas utiliser directement les minerais de gra- nulometrie fine : ils doivent subir un coüteux traitement leur donnant la forme de boulettes satisfaisant aux impératifs granulométriques. Si l'on veut malgré tout utiliser de petites granulométries, en particulier l'assortiment très bon marche compris entre 1 et 2000 m , il faut accroître artificiellement le volume poreux.

Une solution au problème de la formation d'un plus grand volume poreux, c'est la création d'un dépla cement relatif inverse
MINERAI-GAZ.

Au cours de cette opération, ce n'est plus le gaz qui se déplace à travers le minerai, mais l'inverse (lit fluidifiant). Seul un éventail granulométrique étroit de minerais fins est ici utilisable. En raison de difficultés opérationnelles, une seule installation employant ce procédé s'est imposée dans la pratique (celle de FIOR au Vénézuéla).

La deuxième méthode de déplacement du minerai dans le gaz réussit dans un four tubulaire tournant (rotary kiln), le volume poreux accru, où circule le gaz, se trouvant au centre du four à l'intérieur duquelles matières en vrac se meuvent sous l'effet de la rotation.

Tous ces exemples prouvent le lien étroit entre la granulométrie du minerai et le procédé de réduction attitré, lorsque le volume poreux permet la permeabi- lité aulx gaz. C'est sur la base de la perméabilité au gaz que chaque procédé de reduction est affecté à une granulométrie précise. Il n'y a pas un seul procédé qui soit utilisable avec deux, plusieurs, voire toutes

les granulométries des minerais.

Le second groupe de procédées dont le principe
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se-rapporte aux opérations se déroulant dans un tour e à sole rempli de fer liquide, existe en fait depuis peu de temps. Toutefois, le fer liquide, qui s'oxyde très facilement, ne permet la formation que de gaz CO la poursuite de l'oxydation jusqu'à obtention de C02 est par principe impossible dans un bain de fer, vu
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que l'oxygène prdfbre le fer au monoxyde de carbone CO Ceci fait que, sur toutes les variantes techniques, le monoxyde de carbone sort du système sans que l'on puisse le mettre à profit dans le four même. Jusqu'a présent, aucune exploitation énergétique externe totalE n'a réussi ä s'imposer, et ce en dépit des nombreux prc cedes, les brevetés compris.

Ceci conforte une fois de plus le principe selon lequel la rentabilité, nécessaire, doit être assurée par l'exploitation dans le Systeme de l'energie apportée ä ce dernier.

Des variantes de procédé, meme très intéressantes, ne viennent pas modifier ce principe, lequel consiste toujours ä introduire du minerai et du charbon dans un bain de fer toujours chaud et liquide. Si l'on met en présence des minerais particulièrement fins et du charbon, à grande profondeur dans le bain de fer, la réduction est très rapide : elle a lieu alors que les matières réactives en sont encore à monter dans le bain de fer.

Brevet belge No. 867764 Brevet australien No. 522372 Brevet néo-zélandais No. 197311 brevet belge No. 903233
Les gaz CO qui s'en dégagent quittent le bain sans être mis à profit. Le fait qu'avant la reduction proprement dite, les minerais soient liquéfiés à l'avan ce par combustion d'un gaz d'appoint (brevet des E. U. A

No. 3. 264. 096/1966) ou ä l'aide de scories issues du . proced meme (brevet des E. U. A. No. 3.734.716/1973) , ne change rien au manque de rentabilité de ce groupe de procédés.

La aussi, les gaz quittent le volume du four sans avoir été récupérés. De nombreux procédés se rangent dans cette famille, dont nous citerons quelques-uns à titre d'exemples : INRED, ERLED, KRUPP, ASEA, STORA KOPPERSBERG.
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Pour les raisons citdes ci-dessus, aucun procédé employant un four à sole et un bain de fer liquide n'est parvenu à s'imposer.

Si l'on resume tous les résultants, l'exploita- tion simultanée d'un foyer et d'une cuve, avec le charbon comme réducteur, offre les meilleures perspectives de réussite dconomique (procédé KR).

Les procédés faisant appel ä une cuve sans foyer ne sont rentables que dans certalnes limites, vu qu'il faut liquéfier le produit fini dans un four supplemen- taire. Les procédés ä foyer sans cuve sont d'une rentabilité sous-critique, avec perte du monoxyde de carbone qui aurait servi directement dans la zone active.

Tous les procédés sur la base de la cuve atteignent certes la rentabilité nécessaire en exploitant leur propre energie dans le même système, mais tous souffrent d'une restriction fatale : leur dépendance vis-a-vis de diverses granulométries et de basses températures opérationnelles.

Le but de ce nouveau procédé est donc de supprimer les restrictions existantes au niveau des gra- nulometries des minerais et des températures et ce tout en maintenant ou en améliorant la rentabilité. Sur le plan technique, la solution simultanée à ces trois objectifs consiste à remplir un four réacteur à passage continu, en forme de cuve, d'un bain catalyseur liquide bain qui, à son tour, est chargé par le haut de minerai

et par le fond de carbone. Le fonctionnement peut être entretenu par une énergie quelconque issue de la chaleur dégagée par le procédé
Le minerai circule du haut vers le bas, par gravite, dans le bain catalyseur liquide : au cours de cette descente, le minerai s'échauffe et subit une preréduction jusqu'à former un agrégat en fusion.

Au pied de la colonne catalysatrice se déroule la réduction finale, dont les gaz (monoxyde de carbone) repartent à contre-courant vers le sommet et s'oxydent en route (formation de COp) en se combinant à l'oxygène du minerai.

Le catalyseur en fusion répond ä toutes les nouvelles exigences.

1) Le bain catalyseur facilite une meilleure perméabilité aux gaz à toutes les températures du minerai, jusqu'à sa fusion.

2) Le bain catalyseur permet d'employer des minerais de granulométries quelconques, vu que la perméabilité aux gaz ne dépend pas de la taille des grains.

3) Le bain catalyseur permet des températures operationnelles plus levees, jusque dans la plage thermique du produit fini liquide (du fer liquide par exemple). Les restrictions habituelles en matibre de températures sont désormais totalement supprimées.

4) Le bain catalyseur, par exemple du Sirop, du A1203 ou du TiOp liquides permet au C02 de se former à partir de monoxyde de carbone, par le biais de l'oxy- gbne, lequel peut provenir aussi bien du minerai
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que de gaz oxygbne pur.

5) Le bain catalyseur est un catalyseur liquide qui accélère tout le processus de réduction, sans que ses propres caractéristiques s'entrouvent modifiées.

6) Le bain catalyseur autorise la réduction au niveau de son axe vertical median, faisant ainsi office

d'enveloppe protectrice des parois du four contre les oxydes métalliques agressifs (le FeO par exemple).

7) Le bain catalyseur permet l'emploi d'agents de réduction solides, liquides et gazeux.

8) On peut maintenir le bain catalyseur par toutes sortes d'énergies, à 1a température opérationnelle,
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mais aussi en combinant l'energie primaire et la secon daire.

9) Le bain catalyseur permet un excellent transfert thermique entre le bain et le mineral, et mieux encore lorsque le volume de la charge de minerai est relativement faible par rapport au volume du bain porteur
10) Le bain catalyseur permet au minerai et aux agents de reduction de se mouvoir en sens contraires.

11 est important de répéter ici que la diminution de l'oxygène du minerai dans le bain catalyseur commence déjà alors que le minerai est encore à l'étant
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solide, qu'il s'accélère au tur et ä mesure que crolt la temperature, et que cette acceleration est exponentielle dans la phase liquide.

Lorsque les minerais prereduits, qu'ils soient encore solides ou deja liquides, parviennent ä proximité du fond du bain liquide, la réduction finale a lieu avec l'agent réducteur (du charbon gazéifié par exemple).

Si la réduction finale ou la production d'energie primaire créent plus de monoxyde de carbone que nécessaire à la prereduction, cet excédent peut être converti en gaz carbonique au poste d'admission des minerais déjà ä la température voulue. De cette manière, et dans un même four, l'energie est techniquement exploitée aussi bien pour la réduction que pour la production de chaleur, si bien que c'est surtout du gaz carbonique qui quitte le four avec la chaleur latente.

Cet excédent de gaz peut aussi servir à pré- chauffer le circuit, en dehors du système, de l'air de combustion.

L'apport de minerai et le soutirage du métal liquide peuvent se faire aussi bien continuellement que par fournées.

Les opérations décrites ci-avant ne doivent pas forcement se dérouler dans un seul four. Toutefois, si l'on emploie plusieurs fours, il faut qu'elles se déroulent dans un système forme. On peut ainsi procedeer ä la liquéfaction en dehors du four réducteur, l'ener- gie thermique nécessaire devant toutefois être alors produite par post-combustion des gaz réactionnels (monoxyde de carbone) dans le second four. La préliquefaction peut aussi avoir lieu dans plusieurs fours tournants, par exemple, pour profiter des parois tournantes transférant plus rapidement la chaleur au minerai liquide. Ici aussi il est recommandé de prévoir un volume de minerai liquide nettement plus grand que le volume de minerai apporte.

Ce minerai préliquéfié peut ensuite être acheminé au four réducteur, de sorte que seule la durée de reduction détermine le temps de passage du minerai dans le four réducteur.

Le bain catalyseur, crucial dans ce processus, ne doit pas nécessairement être de nature étrangère au minerai; il peut être constitué par une colonne liquide du minerai meme. Elle presente tous les avantages déjà cites, y compris celui de servir d'enveloppe protectrice, a condition que les phénomènes de réduction soient confinés ä l'axe vertical médian de la colonne.

Tout cet exposé signifie que llon ne revendique pas le brevet pour un bain catalyseur précis, mais pluto pour le déroulement d'un processus dans un bain

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catalyseur approprié. Ce bain catalyseur peut être apparenté ou non au minerai, mais ce nlest Das le cas pour le produit fini en fusion.

Claims

REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication de métaux, du fer en particulier, ä partir de minerais oxydiques de granulometrie quelconque (de 0 à 200.000 m), procédé au cours duquel le minerai (de fer par exemple) est chauffe jusqu'à liquefaction dans un bain porteur qui n'est pas le bain du produit fini (du fer par exemple), puis est affine à l'aide d'un agent réducteur approprie, du carbone de préférence, au cours de la réduction directe et indirecte.

En cours d'opération, le métal est débarrassé de sa gangue et des éléments indésirables, puis est acheminé aux fins d'une application appropriée (de la fabrication de l'acier par exemple) ; le procédé étant caractérisé en ce que la réduction prdalable et la réduction directe se déroulent indépendam- ment de la granulométrie du minerai dans un four réacteur ä passage continu, rempli d'un bain catalyseur, ce bain n'étant pas identique au bain du produit fini liquide.
2. - Procédé suivant la revendication 1, carac- terse en ce que tout le processus de réduction se déroule dans un liquide différent (02'A12'0,, TiO,) ou dans d'autres bains dont le poids spécifique est inférieur à celui du produit fini liquide (du fer liquide par exemple). EMI12.1
3.-Procede suivant la revendication 1, caractersé en ce que l'ensemble du processus se déroule dans un bain apparenté au matériau, par exemple dans un bain compose du minerai à affiner ou de scories li- quides du minerai.
4. - procédé suivant la revendication 1, caracterse en ce qu'une partie du processus, par exemple l'échauffement Jusqu liquefaction et préréduction, se déroule dans un liquide porteur étranger ou apparenté au produit fini, 1a réduction finale se ddroulant <Desc/Clms Page number 13> toutefois principalement dans la zone de contact entre le bain du produit fini et le bain porteur.
5. - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble du processus se déroule dans des fours matériellement séparés mais reliés les uns aux autres, afin d'assurer l'exploitation, dans le système, de l'energie apportde.
6. - Procédé suivant 1a revendication 1, caractérisé en ce que les phénomènes de réduction se derou- lent surtout ä hauteur de l'axe median du liquide porteur, afin que les oxydes métalliques, préjudiciables aux parois du four, ne puissent pas entrer en contact EMI13.1 avec ces dernières.
7. - Procédé suivant 1a revendication 1 et une ou plusieurs des revendications suivantes, caractérisé en ce que les gaz de réduction engendrés par la réduction finale (par exemple des gaz à molecule (CO)) peuvent être oxydés de manière endothermique à l'aide de l'oxygène inclus dans le minerai, ou de maière exo- thermique, ä l'aide d'oxygène gazeux (pur, atmosphérique ou un melange des deux), les gaz quittant le système étant alors principalement composés de C02.