BE1006828A3 - Procede en vue de la preparation de metaux, et en particulier de fer, a partir de minerais oxydes, a une temperature de reduction quelconque, dans un four de reduction a gouttes. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication de métaux, et en particulier d'acier, à partir de minerais oxydés, et en particulier de minerais de fer, dans un four de fusion réducteur recouvert par le haut de minerai de granulométrie quelconque qui est réchauffé jusqu'à la température de fusion et pré-réduit par les gaz réducteurs chauds provenant de la base du haut-fourneau à traves une grille supportant la colonne de minerai; le liquide de fusion consistant en minerai pré-réduit et éventuellement de fer en fusion et de gangue traverse goutte à goutte la grille de fond à contre-courant du déplacement des gaz et s'écoule vers le bas à travers un puits dans un récipient approprié, où prennent place tant la réduction finale que la séparation du métal en fusion, de préférence le fer, d'avec la gangue et les éléments non souhaités et d'où le métal, et de préférence le fer, est conduit vers une utilisation appropriée.

Description

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  Procédé en vue de la préparation de métaux, et en particulier de fer, à partir de minerais oxydés, à une température de réduction quelconque, dans un four de réduction à gouttes. 
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  L'invention concerne un procédé de fabrication de métaux, et en particulier d'acier, à partir de minerais oxydés, et en particulier de minerais de fer, dans un four de fusion réducteur recouvert par le haut de minerai de granulométrie quelconque qui est réchauffé jusqu'à la température de fusion et pré-réduit par les gaz réducteurs chauds provenant de la base du puits à travers une grille supportant la colonne de minerai, dans lequel le liquide de fusion consistant en minerai préréduit et éventuellement de fer en fusion et de gangue traverse goutte à goutte la grille de fond à contre-courant du déplacement des gaz et s'écoule vers le bas à travers un puits dans un récipient approprié, où prennent place tant la réduction finale que la séparation du métal en fusion, de préférence le fer,

   d'avec la gangue et les éléments non souhaités et d'où le métal, et de préférence le fer, est conduit vers une utilisation appropriée. 



  Il existe dans la métallurgie actuelle différents procédés en vue par exemple d'extraire le métal de minerais métalliques ou le fer de minerais de fer. En matière de procédés de principe pour le fer, on revient toujours en partie à la technique de base du procédé traditionnel du haut-foumeau, dont la domination sur l'économie résulte de l'utilisation poussée des gaz de réaction (gaz CO) provenant de la réduction finale dans le bain métallique en vue de la pré-réduction dans le puits. 

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  Pré-réduction ou réduction indirecte : 
CO + 1/2 02 (minerai) = C02 + FeO Réduction finale ou réduction directe : 
C +   FeO = CO +   Fe 
Le produit gazeux provenant de la réduction finale (gaz CO) s'écoule depuis l'endroit de son apparition, dans le bain, vers le haut et à travers le volume poreux le la charge de minerai et de coke introduit par le haut du puits. La chaleur se transfère ainsi à la charge et l'oxygène est en même temps extrait du minerai. 



  Cette réaction d'oxydation du CO gazeux se termine dès que la dernière étape d'oxydation a formé du C02 gazeux. Simultanément, la teneur en oxygène du minerai se réduit jusqu'à FeO, qui de son côté est réduit directement en fer par le carbone, ce qui occasionne par ailleurs la fraction la plus grande de la dépense énergétique de l'ensemble de la réaction. Les deux réactions, d'oxydation et de réduction, ont lieu sur l'ensemble de la hauteur de la colonne de chargement. A l'extrémité inférieure de la colonne de chargement, le minerai est pré-réduit en FeO qui est mis en fusion et subit la réduction finale dans le foyer. 



   Pour des raisons économiques, c'est le CO qui est le plus important pour la réduction dans le haut-foumeau. La perméabilité aux gaz est dans ce cas capitale pour la réaction, elle doit exister de manière permanente tout au long de l'ensemble de la réaction et elle est assurée uniquement par une porosité suffisante de la charge. Tous les autres paramètres de la réaction dépendent de cette exigence particulière. 



   Ainsi, la température du CO gazeux doit être limitée à moins de   IOOOOC,   en vue d'éviter un compactage du minerai par frittage et la réduction de la porosité, Il faut également recourir à du coke mécaniquement plus résistant que le charbon. en vue de maintenir la porosité de la charge. Pour ces mêmes raisons, une granulométrie de minerai d'environ 40 000 microns est nécessaire. 



   Une trop faible porosité est également la raison pour laquelle on n'utilise pas 

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 en haut-fourneau de minerais de granulométrie fine, ni à fortiori du minerai poudreux. 



   La réaction est malheureusement aussi caractérisée par une utilisation de carbone en excès stoechiométrique. Une des raisons en est l'obligation de recourir à plus d'énergie pour la réduction finale que pour la pré-réduction du minerai. On produit lors de la réduction finale plus de CO gazeux que ce qui est nécessaire pour assurer la pré-réduction. Il est heureux que le CO produit en excès pour les besoins de la réduction puisse aussi être utilisé thermiquement, puisqu'on le brûle de même en C02 par l'oxygène gazeux avec effets exothermiques. Il est cependant regrettable que cet effet ne puisse convenir au préchauffage à l'intérieur du hautfourneau de l'air de soufflage, qui ne peut s'effectuer qu'à l'extérieur et avec des pertes de transformation.

   Une autre raison imposant le recours un excès steochiométrique en carbone découle de ce que le coke et le minerai traversent le four dans le même sens. Les échanges thermiques et de matériaux sont fondamentalement meilleurs lorsque les partenaires de réaction se déplacent à contre-courant l'un de l'autre. 



   Cependant, à ce jour l'importance économique de la réaction du hautfourneau est dominante, et est basée sur l'utilisation poussée du CO gazeux produit dans le foyer de fusion en-vue du réchauffage et de la pré-réduction du minerai dans le puits. Ce procédé est l'étalon auquel tous les autres procédés doivent être comparés. Aussi, et malgré toutes les recherches, à ce jour seul le procédé COREX est parvenu à mettre au point un procédé de réduction et de fusion dans lequel c'est le CO gazeux propre du foyer qui est de même utilisé pour la pré-réduction du minerai, et même alors dans les mêmes limitations de température.

   Il n'a pas lieu dans un four vertical, mais dans deux réacteurs fonctionnant de manière   séparée.   le CO gazeux de réduction produit dans le réacteur inférieur étant conduit dans le réacteur supérieur rempli de minerai, le minerai pré-réduit en FeO provenant du réacteur supérieur étant conduit dans le four inférieur. 



   Le charbon est injecté en conditions réductrices dans le four inférieur de gazéification et de fusion et y est gazéifié à une température inférieure à 1.   300 C.   Le coke ainsi produit se déplace par gravité vers la couche inférieure de la colonne et y est gazéifié en CO gazeux par soufflage d'oxygène à 1. 600-1. 7000C. Ce 

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 mélange de gaz provenant du charbon et du coke oxydé consiste en environ 75 % de CO et 25 % d'hydrogène. Avant d'être conduit vers le réacteur supérieur de réduction, il doit cependant être refroidi à environ 9000c à l'extérieur des deux réacteurs, en vue d'y empêcher la cuisson du minerai en masse compacte. 



   La réduction ainsi ralentie détermine le débit du four et donc l'économie du procédé qui actuellement est utilisé pour la première fois à ISCOR en Afrique du Sud. Le minerai   pré-réduit   à 95 % est injecté par un extracteur à vis dans le réacteur de gazéification où après fusion à la température mentionnée plus haut, la gangue est séparée du fer plus dense. 



   Un autre désavantage réside en ce que malgré une pression de service élevée, jusqu'à 5 bars. en vue de l'obtention de la perméabilité aux gaz. seuls des minerais de granulométrie supérieure à 5.000 microns peuvent être utilisés. Comme la granulométrie est encore limitée assez haut, seule une classe assez étroite de la distribution granulométrique peut être utilisée. Les minerais poudreux ou en gros blocs sont inutilisables. L'avantage incontestable du procédé COREX réside en l'utilisation de charbon et non de coke, mais pour le reste la pré-réduction est soumise à une restriction de la température à une valeur inférieure à   I. OOOOC.   Le haut-fourneau reste l'inspirateur de tous les autres nouveaux développements 
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 séparant le foyer du puits de chargement.

   Ils peuvent se classer en ceux dans lesquels ne se produit qu'une réaction à   Vétct so\ide dans   un   puBs     (ptocedè pox   réduction directe) avec un produit final à   l'état   solide, et ceux dans lesquels on obtient dans un four contenant un bain de fer en fusion (procédé de fusion réductrice) avec un produit final à l'état liquide. Ces procédés présentent ainsi soit une partie puits avec réduction indirecte sans réduction finale ou la partie foyer sans la préréduction. 



   Le groupe des procédés avec puits existe en principe depuis le début de l'histoire du fer. Tous ces procédés dépendent aussi automatiquement des lois de la perméabilité aux gaz, qui n'autorisent pas de températures de réduction supérieures à   900 C,   car à des températures supérieures le compactage du minerai par cuisson empêcherait la   perméabilité   aux gaz qui est à la base du procédé. Les procédés de réduction directe sont utilisés industriellement. 

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   Aucun procédé du second groupe, apparenté au foyer liquide du hautfourneau, n'a à ce jour percé. La réduction directe, avec recours per exemple au charbon et formation de CO gazeux se produit bien dans le foyer, et sans difficultés, mais il n'est pas possible de réaliser un réduction indirecte dans le bain de fusion. Le fer en fusion ne permet pas l'oxidation exothermique du CO gazeux en   C02, car l'oxygène   se lie au fer de préférence au CO gazeux. On ne peut oxyder que le fer en fusion, par le CO gazeux. 



   Dans ces conditions, l'utilisation dans le bain de fusion du fer des composants exothermiques du CO gazeux n'est pas possible. Une utilisation exothermique externe du CO gazeux ne peut être envisagée qu'avec de mauvais rendements et ne permettrait pas des vitesses de réduction compatibles avec un débit plus élevé du réacteur de pré-réduction. Il ne reste que l'utilisation externe dans un but de réduction du CO gazeux dans un but de réduction dans un puits de minerai séparé, ce qui est à nouveau soumis aux lois déjà mentionnées de la perméabilité, de sorte que la température maximale de réduction doit de même se situer en-dessous de la température de frittage du minerai. En pratique, on revient alors au procédé du haut-fourneau, dont l'économie est, au vrai sens du terme, remarquable.

   Tous les procédés de pré-réduction prenant place dans un puits présentent tant un faible rendement spécifique dû aux basses températures de réduction qu'un produit final solide qui doit être mis en fusion après la préréduction. Tous les procédés de réduction finale prenant place dans un bain liquide de fusion présentent il est vrai un produit final liquide, mais également une limitation de température pour la pré-réduction dans un puits. Dans tous les cas, c'est la durée de la pré-réduction qui détermine la durée de l'ensemble du procédé. 



  Réduire la durée du procédé implique réduire celle de la pré-réduction, ce qui ne peut s'effectuer que par augmentation de la température de pré-réduction, car les durées de réduction décroissent exponentiellement avec la température de réduction. Ce qui dure des heures à 9000C s'effectue en secondes à la température de fusion du minerai. Il n'existe cependant pas à ce jour de procédé dans lequel la pré-réduction puisse avoir lieu avec du gaz, sans limite de température, à des températures supérieures à la température de frittage ou atteignant la température de fusion. Un tel procédé réduirait en pratique les durées nécessaires à la pré-réduction et renforceraient aussi considérablement les performances en débit. 

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   L'économie du haut-fourneau en serait dépassée. Si en plus on parvenait à utiliser du charbon au lieu de coke, le procédé COREX serait aussi économiquement dépassé. Ces conditions impliquent un procédé dans lequel des gaz chauds, à des températures pouvant atteindre 2.   000oC   et plus (au-delà de la température de fusion) pourraient réchauffer le minerai et le réduire, la porosité n'étant plus une condition préalable pour la pré-réduction. Tous les pores se compactent par cuisson au cours du frittage. Il faut assurer la réduction du minerai sans perméabilité aux gaz. Si l'on accélère ainsi la pré-réduction, la durée de l'ensemble de la réaction est diminuée. 



   De ces constatations découlent les conditions fondamentales d'un procédé de réduction plus économique : 1. le recours, pour la pré-réduction, à des températures quelconques de gaz. plus élevées et pouvant dépaseer la température de fusion du minerai ; 2. l'élimination de la porosité comme condition préalable à la pré-réduction, de manière à pouvoir réduire le minerai de manière indépendante de sa granulométrie ; 3. l'utilisation de charbon au lieu de coke ; 4. l'écoulement à contre-courant des gaz et du produit à réduire. 



  Le procédé de réduction à gouttes 
En pré-réduction classique, le CO gazeux de réduction attaque par étapes l'oxygène du minerai simultanément dans de nombreuses couches de la colonne de minerai pendant des heures, jusqu'à l'étape finale du FeO. A l'inverse, le CO gazeux est lentement oxydé en C02 par l'oxygène du minerai en traversant la colonne de minerai. Lorsque les étapes finales ont produit du C02 et du FeO, l'objectif de la pré-réduction est atteint et les deux partenaires ne peuvent plus réagir.

   Si l'on parvenait, en recourant à de plus hautes températures de gaz, à faire traverser très rapidement toutes les étapes de réduction jusqu'à l'état final de FeO en fusion par des couches successives de minerai, comme en   accéléré,   le gaz à 

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 oxyder simultanément en C02 aurait rempli sa mission dès le début. Comme le travail de pré-réduction et de réalisation de la fusion du minerai seraient terminés, et qu'il n'y aurait pratiquement plus de   porosité.   le gaz pourrait quitter l'endroit où ces fonctions sont réalisées par la colonne de minerai, mais pas nécessairement par là.

   Il est une fois de plus conseillé de choisir la température des. gaz de réduction aussi haute que possible. car la liquéfaction et la pré-réduction s'effectuent plus rapidement avec l'augmentation de la température. Le minerai pré-réduit (FeO) et s'écoulant en gouttes devrait quitter l'endroit de la réaction au niveau de la couche frontale pour subir la réduction finale dans le bain en fusion, et pour offrir au CO gazeux qui arrive de nouvelles couches de minerai à mettre en fusion et à réduire, ce qui s'effectue sans réglages par l'action automatique de la pesanteur sur les gouttes à   l'état   naissant. Ces gouttelettes peuvent être réchauffées encore au cours de leur libre chute dans les gaz chauds.

   Si l'étape finale de la préréduction (FeO) n'était pas complètement atteinte à la température de fusion des gouttes, elle peut être terminée au cours de la chute libre vers le bain de fusion. 



   Le CO gazeux de réduction peut être produit à partir de charbon et d'oxygène dans n'importe quel four de fusion gazéificateur ou être amené de l'extérieur. A côté d'énergie primaire, il est recommandé de recourir en cas de besoin également à une énergie secondaire en vue de maintenir la fusion au niveau de température souhaité. La séparation du laitier et du fer s'effectue sous l'action de la différence des poids spécifiques. 



  Le four de réduction à gouttes 
Il s'agit ici par exemple d'un four à puits vertical, dans lequel le bain de fusion et la colonne de minerai sont séparés par un espace intermédiaire. La colonne de minerai est retenue par une grille appropriée située sous la colonne de minerai et qui laisse passer vers le bas la matière pré-réduite liquéfiée et vers le haut les gaz de réduction très chauds, mais ne laisse par passer la matière solide. Les gaz chauds réchauffent la colonne de minerai par le bas et par couches successives. jusqu'à ce que la couche de   pré réduction s'égoutte   au niveau du front   gaz/minerai/FeO.   



   Les couches de minerai au-dessus du niveau d'égouttage coalescent par 

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 cuisson dès qu'elles atteignent des températures supérieures à 950 C, de sorte qu'il se forme un gros bloc de minerai et que la granulométrie finale du minerai n'a aucune importance. Le minerai compacté par frittage interdit bientôt toute   perméabilité   aux gaz, mais le gaz peut cependant, après sa réaction, s'échapper 
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 du four à hauteur de la grille ou latéralement s'il le faut à l'aide de clapets de surpression. 



   Le charbon et l'oxygène peuvent être injectés dans le bain de fusion au niveau de l'espace intermédiaire. Lors de la combustion du carbone par l'oxygène il se produit du CO gazeux dans une réaction exothermique, et lorsqu'il s'échappe, ce gaz réalisera la fusion et la réduction au niveau de la grille. 



   A côté du recours à l'énergie primaire, on peut utiliser de l'énergie secondaire, comme par exemple un chauffage par induction, pour maintenir la température de réaction dans le foyer en fusion. 



   Dans le foyer, le laitier se sépare du fer sous l'action de la différence de poids spécifique. Les deux produits de réaction peuvent être extraits en continu ou en discontinu. 



   La grille de support et l'utilisation, en vue de la pré-réduction, de températures de gaz largement supérieures à la température de frittage ou de fusion du minerai sont essentielles au procédé et relèvent du droit de la propriété intellectuelle. 



  Même de petits fours peuvent ainsi réaliser des débits considérablement plus   élevés,   avec utilisation de charbon au lieu de coke et suivant le principe du contrecourant.

Claims (9)

1. Revendications 1. Procédé de fabrication de métaux, et en particulier d'acier, à partir de minerais oxydés, et en particulier de minerais de fer, dans un four de fusion réducteur recouvert par le haut de minerai de granulométrie quelconque qui est réchauffé jusqu'à la température de fusion et pré-réduit par les gaz réducteurs chauds provenant de la base du haut-fourneau à travers une grille supportant la colonne de minerai, caractérisé en ce que le liquide de fusion consistant en minerai pré-réduit et éventuellement de fer en fusion et de gangue traverse goutte à goutte la grille de fond à contre-courant du déplacement des gaz et s'écoule vers le bas à travers un puits dans un récipient approprié, où prennent place tant la réduction finale que la séparation du métal en fusion, de préférence le fer,

   d'avec la gangue et les éléments non souhaités et d'où le métal, et de préférence le fer, est conduit vers une utilisation appropriée.
2. 2. Procédé selon le revendication 1 caractérisé en ce que de hautes températures de gaz, jusqu'à 2. 000oC et au-delà, assurent une pré-réduction particulièrement rapide du minerai de fer en FeO et le portent à la température de fusion, en ce que les gouttes tombent à travers la grille sans y causer de dommages dûs à la température ou à des surchauffes, et en ce que les gouttes peuvent, suite aux hautes températures des gaz, être encore chauffées plus haut au cours de leur chute libre.
3. 3. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'un nombre quelconque de grilles supplémentaires sont également utilisées à l'intérieur du four de réduction.
4. 4. Procédé selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que dans la chambre de réaction constituée de la chambre de réduction et du récipient du bain de fusion, s'effectuent tant la réduction indirecte CO + 1/2 02 (minerai) = C02 + FeO à proximité de la grille et au cours du chauffage pendant 10 chute libre en direction du bain de fusion que la réduction directe <Desc/Clms Page number 10> C + FeO = CO + Fe.
5. 5. Procédé selon les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'énergie injectée dans le procédé est utilisée en vue de la réduction.
6. 6. Procédé selon les revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le CO gazeux apparaissant éventuellement en excès dans le bain de fusion est également utilisé en vue de la production de chaleur, par réaction avec l'oxygène pur ou atmosphérique suivant l'équation : CO + 1/2 02 = C02 (+ énergie thermique) à l'intérieur ou à l'extérieur du four de réduction.
7. 7. Procédé selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les gaz de réduction sont directement (par exemple en vue de la gazéification de charbon dans le bain même de métal en fusion) ou indirectement (à l'extérieur) utilisés, et en ce que le chauffage du foyer de fusion recourt aussi bien à de l'énergie secondaire qu'à de l'énergie primaire.
8. 8. Procédé selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les gaz et les matières à réduire se déplacent à contre-courant.
9. 9. Procédé selon les revndications 1 à 7. caractérisé en ce que de hautes températures de gaz permettent de hauts débits économiques lors de la préréduction.