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L'invention concerne un procédé de réduction de minerai de fer,de préférence sous forme de minerai en morceaux., ou de concentré de minerai de fer en granules ou autres agglomérés.
On a déjà proposé un procédé de réduction de minerai de fer à l'aide d'un gaz réducteur contenant principalement de l'hydro- gène et de l'oxyde de carbone comme agents réducteurs. On effectue la réduction dans un four à cuve vertical, chauffé par résistance électrique, dans lequel le minerai descend dans le four à contrecourant du gaz réducteur, le rainerai étant mélangé à une quantité notable de fer spongieux refroidi remis en circulation avant de l'introduire au sommet du four, en même temps qu'on introduit le gaz frais dans le four environ à sa partie médiane.
Toutefois on a découvert que certains types de minerais, d'ordinaire ceux qui sont pauvres en soufre, c'est-à-dire qui con-
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tiennent moins de 0,1% S, ont une tendance à s'écraser ou se dé- sintégrer quand on effectue la réduction, complètement ou partiel- lement à une température inférieure à 800 C environ. Dans le pro- cédé décrit plus haut, la désintégration a tendance à se produire à la fois avant et après que la température maximum., voisine de 900 C' a été .atteinte.
La désintégration peut entraîner des accro- chages dans la cuve du four, en particulier sur les électrodes supé- rieur'e et inférieure et dans la zone de température maximum.;, et peut 'être particulièrement nuisible au cas où le degré de réduction du fer spongieux n'est que de 60-$0%' quand il quitte la zone de tempé- rature maximum..
Le procédé suivant la présente invention a pour but d'éviter cette désintégration, de manière que le procédé puisse être exécuté de façon satisfaisante, également sur des minerais qui ont tendance à se désintégrer au cours de la réduction.
La présente invention concerne donc une modification du procédé précité, antérieurement proposé par l'inventeur, la réduction s'opérant à l'aide d'un gaz qui consiste pratiquement en hydrogène et éventuellement en oxyde de carbone comme gaz ré- ducteur, et une partie notable du fer spongieux complètement ré- duit déchargé au bas du four, étant remis en circulation au som- met, à l'état froid, en même temps que du minerai de fer non réduit.
Les caractéristiques du procédé modifiée consistent en ce que le gaz réducteur qu'on introduit au bas du four, contient au moins 90%'d'hydrogène, calculé par rapport à la teneur du gaz en composés réducteurs, et en ce qu'on introduit la. totalité du gaz réducteur au bas du four, à l'état froid, en fournissat l'éner- gie électrique au four par trois électrodes disposées l'une au- dessus de l'autre dans la cuve du four, et de manière telle que la zone existant entre les deux électrodes inférieures serve princi- palement au chauffage des gaz réducteurs à la température de réaction @
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Quand on conduit l'opération de la manière décrite ci-dessus., on évite toute désintégration nuisible de la charge,,
et on supprime le risque de formation d'accrochages dans le four.
En outre, grâce 'au fait que la teneur en oxyde de carbone du gaz réducteur est maintenue en dessous de 10%, an obtient encore que la décomposition de l'oxyde de carbone et la précipitation de car- bone solide dans la gamme de températures de 400-700 ne soit pas excessive au point d'entraîner la désintégration du fer spongieux.
La teneur en carbone du fer spongieux rie dépassera par conséquent pas 1%.
On a, en outre découvert qu'il est avantageux dans cer- tains cas, de maintenir la teneur 'en vapeur d'eau 'et 'en anhydride carbonique dans le gaz qui se dégage au sommet du four en dessous d'e 35%, de préférence au voisinage de 25%, c'est-à-dire qu'on règle la quantité ( ou la vitesse) du gaz réducteur qui traverse le four, de manière telle que le volume de H2O + CO2 dans le gaz sortant, par rapport au volume total de gaz sortant qui contient
H2O + CO2 + H2+ CO, soit inférieur à 35%, par exemple 15%, mais de préfér'ence 'environ 25%.
La teneur maximum -en vapeur eau et anhydride carbonique dans le gaz, dépendra entre autres, de la facilité avec laquelle le minerai p'eut être réduit, et de sa ten- dance à la désintégration.,
Si, malgré les mesures précitées, le minerai ne peut 'être chauffé à une vitesse suffisante, en raison, par exemple, des dimensions du four et d'un rapport défavorable 'entre le gaz 'et le minerai de fer chargé, on a découvert qu'il 'est avantageux. sui- vant une autre caractéristique du procédé, d'ajouter de l'eau au mélange de minerai non-réduit et de fer spongieux remis 'en circu- lation au sommet du four.
Dans ce cas, on maintient une basse t'en- pérature de la charge dans la partie supérieure du four, jusqu'à ce que 1.1-*eau se soit évaporée et qu'on ait atteint une différence @
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dé température suffisamment grande entre la charge de6:' ô: -' . lé courant ascensionnel de gaz chauds. En outre; C01;I!!L9 :j.:-,.::T.':'!",,:\: ment de la teneur en vapeur d'eau dans le gaz abaisse :.::O; l =t c i i réduct'eur, la vitesse de réaction est maintenue basse , =¯¯'.", .. que la température ait atteint une valeur suffisante. Si 1 1..,.è",':-1J.T' 'en CO du gaz doit être abaissée par la réaction de .éHS.-::.
CO + H20 (vapeur) ¯, CO2 + H2 avant de repasser dans le : -; ; '1,,7 - bzzdition à"eau procure en outre l'avantag'e qu'une c'er.tai#=#* : É;w-¯': i -c d'e la chaleur du gaz réducteur peut être utilisée à 1 ,?X':" :;, o d'une partie de la vapeur d-'*eau nécessaire à cette ré:::..ctJ. ...1:.:.. est nécessaire d'ajouter de l'eau, la quantité d-' eau :7, avec la tendance du minerai dé fer à s'e désintégrer.
On peut également 'exécuter le procédé COl1:':'J.J.', ,,:; .'.' :1. él. vention avec -m gaz frais contenant plus que 1; d' ox ,v.ï boiie. Dans ce cas, on constaté qu'il est avantageux ci.'2 1. 0 ..,,: ::.é.' le gaz frais avec du gaz qui se dégage ai sonnet du four, si 1;. 1 désire après addition d'urie nouvelle quantité de vapeur d':-- - j;.: -.-- produire la réaction de déplacement., puis on fait p33e-.' ; ..'--i du gaz dans un réacteur de déplacement, et on le libère 'rj ù f.:e la plus grande partie de son contenu en vapeur d' 6éL" r;-"::; cai'.< bonique, avant de l'introduire au bas du four, Come il résulte de la description ci-des 3lE .
A ,'>:'; ':.5 conforme à l'invention, le four de réduction cor:[.9::- . - .:l;:;, -..'."...' C..,;;3 dé passage du courant c'est-à-dire 'entre l'électr>= : u.. ',- ../1.:C-8 zut l'électrode my'enne,, et entre cette dernière éle::t ¯ : ¯ = --.'; ,::.l..:;;tro-1e inférieure. Comme le procédé suivant l' 3ncTe.t-i : n ::::.; l .;=..-..; :::'.: 1.:.1niére telle que le minerai soit, pratiquement pG.1"l::¯:.:: ' :..= ':::'1t réduit quand il arrive au niveau de l'électrode T..ST:¯¯¯- c. '.:0préférence une forme annulaire, ce ne sera que la Z0':-2 . ,::,.., 0 (1 e courant qui fournira la chaleur nécessair'e à I'opét -¯¯3- ¯ '.7..;ti.J.;# elle-même.
La zone inférieure de courant sert donc C3'c,': .'.:':', ¯7;
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au préchauffage du gaz qu'on introiduit au bas (du four, si la quantité descendante .de fer spongieux ne ,suffit pas à porter le gaz réducteur directement a la température ,de réaction.
On donne de préférence aux .électrodes supérieure 'et inférieure, la forme d'élec trodes en grill'e, que lies agglomérés de minerai peuvent traverser aisément,
Si, par exemple, on utilise du gaz à 1,'eau pour la ré-. duction, il faut tout d'abord le transformer partiellement 'et le laver sous pression pour obtenir une teneur en hydrogène qui dépasse 90%, calculée par rapport aux constituants réducteurs du gaz: Le gaz sort donc du laveur sous pression à la température normale d'e l'eau de refroidissement.
Au lieu de chauffer ce volume de gaz à une température voisine de 900 C dans un -appareil séparé avant de l'introduire dans la parti'e médiane du four de réduction, on a trouvé qu'il est souvent plus facile d'utiliser la zoxie inférieure de courant du four de réduction pour obtenir la quantité supplémentaire d'énergie nécessaire pour porter le volume total de gaz ré- 'ducteur à la température de réaction, d'environ 900 C On peut d'ailleurs effectuer la réduction également au moyen d'hydrogène pur, 'et quand on utilise ce gaz, l'échange de chaleur est à ce point intense, par suite de la conductibilité calorifique élevée de l'hydrogène, que toute addition de'eau au son= .et du four, avec le minerai de fer,
n'apporté normalement aucun avantage.
Toutefois, si on ajoute de l'eau au sommet du four, il faut diminuer la quantité de fer spongieux réduit remise en circu- lation. Cela a pour conséquence que la consommation d'énergie dans la zone de courant inférieure doit être augmentée, parce que la zone ne reçoit que des quantités de fer spongieux chaud,, trop faibles pour fournir suffisamment de chaleur- aux gaz 'entrants,.,
Normalement,on règle la quantité de fer spongieux
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réduit remise en circulation au sommet du four, de manière telle que le gaz qui se dégage au sommet du four, atteigne une tempé- @ rature comprise entre 100 et 200 C.
Mais si, sans égard pour une période de chauffage plus rapide du minerai, il devient nécessaire d'augemnter le volume de gaz réducteur, on trouve préférable, com- nie déjà mentionnée de remplacer une partie de la quantité de fer spongieux remise en circulation, par de l'eau qui s'évapore à la partie supérieure du four.
Le procédé de l'invention s'era mieux compris en se ré- férant aux exemples donnés ci-après, qui servent à illustrer l'in- vention sans la limiter.
Dans le premier exemple, la réduction du minerai de fer est effectuée au moyen de gaz à 1-l'eau, produit et traité de manière telle que le gaz ait une teneur 'en hydrogène très élevée.'
Dans le second exemple, la réduction est effectuée par de l'hydrogène produit par décomposition 'électrolytique de l'eau.
EXEMPLES.
1.- Réduction au moyen de gaz à l'eau.
Le gaz à l'eau peut être produit par un procédé connu 'en soi, par exemple par gazéification totale de. charbon ou d'huile au -moyen d'oxygène et de vapeur d'eau.
Le minerai de fer utilisé est aggloméré en granules, pratiquement exempts de soufre ( 66,5% Fe, 0,005% S), et a une forte tendance à se désintégrer par réduction à des températures inférieu- r e s à 800 C.
Le procédé suivant l'exemple sera décrit en Se référant à la figure 1, qui représente schématiquenent un appareil pour l'exé- cution du procédé. Tous les chiffres cités correspondent à la même unité de temps;, par exemple par heure.
Le gaz à l'eau qui contient 324 Nm3 de CO2, 312 Nm3 de H2,
137 Nm3 de CO2,4 Nm3 de CH4 et 4 Nm3 de N2, ainsi que 160 kg de
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vapeur d'eau, sort du gazéificateur de charbon ou d'huile à une
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"température voisine de 1000 C (1). L'e gaz traverse un séparateur de ponssièr'es, dans lequel se séparent la grosse poussièr'e, le charbon non-gazéifié et les cendres.
On le refroidit ensuite à environ 200 C par injection de 313 kg d'eau (2), avant de le mélanger au gaz remis 'en circulation (3) venant du sommet du four de réduction (4)..Apres avoir traversé un électro-filtre (5) pour
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en séparer la fine poussière, le gaz est amené au réacteur de dé- placement (6) dans lequel 321 Nm3 du CO contenu dans le gaz, réagissent avec de la vapeur d'eau, pour former 321 Nm3 d'hydrogène
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et 32.1 Nm3de COZ.
Du réacteur de déplacement (6), le gaz passe à une tem-
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pérature de fl70 C, dans un échangeur de chaleur (7) puis dans un condenseur (8) , dans lequel le gaz comprenant 237 Nra.3 de CO, 2709 Nrn de Hz, 543 Nra..3 de C02; 328 Nm de N 'et 4 Nm.3 de CE,, 'est re- froidi à la température ordinaire, en même temps que la vapeur qu'il contient est condensée et séparée (1070 kg d'eau).
On comprime ensuite le gaz à 25 kg/cm2 dans le compresseur (9), on le débarrasse de 457 Nm3 de CO2 (et d'hydrogène sulfuré) dans le laveur sous pression (10) 'et on le chauffe à environ 170 C dans l'échangeur de chaleur (7) avant sa détente et son, refroidissement dans la turbine (11), puis on l'introduit au bas du four à une température d'environ 20 C. Il contient 234 Nm3
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de CO, 2676 Nnr de HZ' 85 N3 de C02' 324 %hi de Nz, 4 Nm de CH,, 'et 85 Nm- de vapeur d"eau.
On admet qu'un volume de z.2 Nur de gaz contenant 3 Nm¯3 CO, 33 N-3 de HZ' 1 Nm de C0 et 1 Nm.3 d'eau quit- te le système comme gaz résiduaire (12)
Le gaz introduit au bas du four, refroidit le fer spon- gieux réduit sortant, on le chauffe à la température de réaction (environ 900 C) dans la zone de courant inférieure, entre l'élec-
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trode en grille (13) et l'él'ectrod'e annulaire (14). La réaction
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entré le minerai de fer' et le gaz réducteur s'effectue dans la zone de courant supérieure, entre l'électrode annulaire (14) et l'électrode en grille supérieure (15) .
Le gaz quitte le sommet du four à une température d'environ 200 C; il contient la vapeur d'eau produite par la réaction et par l'évaporation de 375 kg de'eau. introduite au sommet du four (16) en même temps que le minerai (17) et le fer spongieux (18) remis en circulation. Le gaz sortant du sommet du four (3) contient 234 Nm3 de CO, 2076 Nm3 de H2, 85 Nm3 de CO2., 324' Nm3 de N, 'et 923 kg de vap'eur d'eau. On le mélange à du gaz à 1-'*eau frais, comme décrit plus haut.
Au sommet du four (17), 1600 kg de minerai de fer en granules sont mélangés avec 1725 kg de fer spongieux remis en circulation (18) puis le mélange est introduit au sommet du four.
On retire au bas du four (19) 1160 kg de fer spongieux, contenant 'en tout 91,5%Fe, dont 86,0% sous forme de fer métallique ayant une teneur en carbone de 0,5%.
L'énergie électrique nécessaire est fournie aux zones de courant supérieur'e 'et inférieure du four par deux transforma- t'eurs monophasés à régulateur de voltage (20 et 21), d'une puis- sance respective de 300 'et de 750 kW.
Le compresseur (9) consomme environ 600 kW, dont 300 kW 'environ proviennent de la turbine (11).
La consommation de charbon et d'énergie ressort, du ta- bl'eau suivant :
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<tb>
<tb> Opérations <SEP> consommatrices <SEP> d'énergie <SEP> Kg <SEP> de <SEP> charbon <SEP> kWh
<tb> Production <SEP> de <SEP> gaz: <SEP> a <SEP> charbon <SEP> 380
<tb> b) <SEP> 320 <SEP> kg3de <SEP> vapeur <SEP> d'eau <SEP> 40
<tb> c) <SEP> 200 <SEP> Nm <SEP> de <SEP> O2
<tb> Four <SEP> de <SEP> réduction <SEP> 1050
<tb> Compresseur <SEP> (moins <SEP> la <SEP> turbine) <SEP> 300
<tb> Consommation <SEP> par <SEP> tonne <SEP> de <SEP> fer <SEP> métallique <SEP> 420 <SEP> 1470
<tb>
<tb>
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Si l'énergie électrique provient d'une centrale 41'00trique chauffée au charbon, consommant 0,
5 kg de charbon par k'HT
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la consommation totale de charbon est de 1155 kg par tonne dé fer
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métallique. R)dugtion par l'hàÉoflé,è, ' ¯ (yin.2). " 2.- Réduction par ljh.y'.râri. (Fig<2)* On produit l'hydrogéné par décomposition élsctrolytiqûe d,'eau; 'et le minerai de fer est du même type que celui mentiÓ1'U1é dans 1 exemple 1.
,Au sommet du four (1), on mélange 1600 kg de granul'e# avec 2700 kg de fer spongieux remis en circulation, et on Charge
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le mélange au sommet de la cuve du four. On retire au bas du tour,
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(2) 1160 kg de fer spongieux contenant 'en tout 1y5. Fey dont ,s6%" de fer métallique. L'ériergie électrique est fournie aux zones de courant supérieure et inférieure par deux transformateurs WÓ11:0Pfu!ses munis de régulateurs de voltage (3 'et 4), d'11.1ie puissance re.5pëetii9 de 325 et bzz kir.
On introduit au bas du four, à 1-*aide d'un. venti1ai;'éUl" de circulation (5), 2665 Mm-3 d'hYdrogène,. contenant 49 kg de vapeur d eau, dont 650 Nsr d'hydrogène + 12 kg de vapeur d'éau sont fournis sous forEEe de gaz frais par Installation à'éleGtBo1y5e (6), Le gaz traverse la. cuve à contre-couran,t du. ter spongieux descend dant, et :LI - est; chauffé à la tempéra.tmfe dé réaction danz 14 zone de courant intérieure; il en résulte (ïae la- réduction du minerai de fer seffec'&ae prfuef-parenéent dans la zeide de ectoeant su:péri'eu1f..' 1 samnet du four' son' ret-ir à- environ 15ro6c. 200 *Le d'hydrogèhô contenant 531 kg de vapetw déâU" dont. 494 kg dyeau sort condensés ét sépares dans le C()11det1$éU1" (1) avant que lé gaz en cpecaLs.tfon. ne soit: miélangé- à dct gaz :trais (6) f"6urÁÍ pasla. section. d'é1.etroyse;
et renvoya au. bas du. f'OtE" par- le- V'entf1a,.... tour de e:ireu1.a:tion..
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La consommation d'énergie ressort du tableau suivant:
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<tb>
<tb> Opérations <SEP> consommatrices <SEP> d'énergie <SEP> kwh
<tb> Production <SEP> de <SEP> 650 <SEP> Nm3 <SEP> d'hydrogène <SEP> 3250
<tb> Four <SEP> de <SEP> réduction <SEP> 675
<tb> Ventilateur <SEP> de <SEP> circulation <SEP> 75
<tb> Consommation <SEP> totale <SEP> par <SEP> tonne <SEP> de <SEP> fer <SEP> métallique <SEP> 4000
<tb>
Dans cet exemple, tous les chiffres sont également cal- culés par herue,
L'invention n'est du reste pas limitée aux réalisations représentées dans ces deux 'exemples, mais on peut la modifier sui- vant le typé de minerai de fer ou le mélange de gaz qu'on désire utiliser pour le réduction.
Suivant un autre mode de réalisation, on peut effectuer l'opération à pression élevée, de préférence à une pression d'en- viron 25 kg par cm.2. Si on effectue l'opération comme décrit plus haut dans les exemples;, 'en appliquant la pression atmosphérique dans le four de réduction, la capacité du four dépend de la vitesse à laquelle on peut faire passer le gaz réducteur à travers la cuve du four sans que la perte de chargé à travers le four ne soit trop . grande. Une vitesse du gaz de 5m/sec. calculée par rapport à la section transversale libre de la cuve, peut en général 'être consi- dérée comme un maximum.
Si, toutefois, l'opération s'effectue à pression élevée, la capacité du four de réduction est accrue tandis que le volume de gaz nécessaire, et par conséquent sa vitesse, sont réduits.
Comme la réduction du minerai de fer par l'hydrogène s'effectue suivant l'équation: Fe2O3+ 3H2 = 2 Fe + 3H2O, on cons- tate que l'équilibre théorique n'est pas influencé par une variation de pression. D'autre part, la vitesse de réaction augmente
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avec la pression, d'où il résulte que l'équilibre pouvant être atteint en pratique est voisin de l'équilibré théorique, ce qui, à son tour, a pour résultat que le volume nécessaire de gaz en circulation dans le four de réduction, diminue.
La production de gaz à l'eau par gazéification totale de charbon ou d'huile par de l'oxygène et de la vapeur d'eau; s'ef- fectue suivant les ,procédés récents, à une pression de 25 kg/cm2 environ.' A cette pression, on peut également séparer l'anhydride carbonique du gaz par absorption dans de l'eau: Il.est par conséquent particulièrement avantageux aussi d'effectuer la réduction du minerai de fer par le gaz à l'eau ou par de l'hydrogène plus ou moins pur à cette pression.
En supposant que la vitesse du gaz dans le four de réduction peut s'élever au maximum, à 1 m/s'ec sous 25 atmosphères, le volume de gaz qu'on peut -faire passer à travers le four à cette pression, est environ quintuple de celui correspondant à la pression atmosphérique, ce qui a pour résultat que la capacité du four augmente également de façon correspondante.' De même, on supprime la compression du gaz mis en circulation, suivie de dét'ent'e, pour extraire l'anhydride carbonique du gaz par lavage.
La conv'er- sion du gaz à. l'eau, c'est-à-dire la transformation catalytique d'oxyd'e de carbone 'et vapeur d'eau dans le gaz en hydrogène et anhy- dride carbonique, peut également s'effectuer sous pression, ce qui présente également plusieurs avantages pratiques.
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