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Il PROCEDE DE REDUCTION DE MINERAI DE Fer ".-
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La présente invention concerne la production de fer spongieux par réduction d'un minerai de fer avec un gaz réducteur, et elle concerne plus particulièrement un procédé nouveau pour créer at maintenir dans un lit de minerai de fer des conditions réductrices qui conver- tissent efficacement une proportion relativement élevée du minerai de fer en fer métallique solide, en un laps de temps relativement court.
Pendant de nombreuses années, on a utilisé des hauts-fourneaux presque exclusivement pour la conversion du minerai de fer en fer métallique et leurs avantages aussi bien que leurs inconvénients sont bien connus. Le haut-fourneau constitue un convertisseur très efficace pour de grandes quantités de minerai de fer en fer mé- tallique, mais il devient relativement inefficace si ses quantités diminuent. Il existe de nombreux cas dans les- quels on désire produire des quantités relativement pe- tites de fer et, dans ce cas, l'investissement de capi- taux importants nécessaire pour construire uri haut-four- neau d'une dimension économique et pour installer ses appareils auxiliaires nécessaires ne peut pas être jus- tifié.
Par suite, il est nécessaire de mettre au point un procédé efficace à petite échelle pour réduire le mi- nerai de fer
On sait qu'on peut chauffer le minerai de fer sous forme finement divisée, dans un milieu environnant réducteur et à une température un peu inférieure aux tem- pératures des hauts-fourneaux, pour réduire du fer en l'amenant sous une forme solide poreuse connue sous le nom de fer spongieux. On a proposé pour produire du fer
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spongieux, divers procédés dans lesquels on effectue la réduction en mélangeant le minerai de fer avec du cocke ou de la houille, ou en faisant passer un gaz réducteur sur un lit du minerai ou sur un lit mixte de minerai et d'agent réducteur solide.
Etant donné que de tels procédés ne demandent pas l'investissement de capitaux important pour l'appareillage qui caractérise les hauts-fourneaux, ils sont en eux-mêmes capables de répondre au besoin d'un procédé de réduction. de minerai de fer à petite échelle.
Toutefois, les procédés proposés jusqu'ici présentent l'inconvénient ou bien de ne pas assurer une conversion suffisamment élevée du minerai en fer métallique dans une période de temps pratique au point de vue économique, ou bien d'utiliser des matières premières d'un prix prohibi- tif.
La présente invention a donc pour objet: - un nouveau procédé de fabrication de fer spongieux à partir de minerai de fer, procédé dans lequel on obtient un taux de conversion élevé du minerai dans une période de temps relativement courte; - un procédé de ce genre dans lequel la réduc- tion désirée du minerai s'effectue avec des matières pre- mières abondantes et peu coûteuses;
- le traitement d'un lit de minerai de fer à l'aide d'une alimentation continue d'un mélange de gaz réducteurs qui a une composition prédéterminée sensible- ment uniforme et qui est maintenu à une température re- lativement élevée sensiblement constante,
D'autres caractéristique et avantages de la présenta invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre.
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Dans la procédé conforme à l'invention, on réduit le minerai en faisant passer un mélange de gaz réducteurs dans un lit du minerai finement broyé, d'une manière connue.
L'invention se rapporte principalement au mode de préparation du mélange de gaz réducteurs et on atteint les buts de la présente invention d'une manière générale en préparant ce mélange dans une série d'opérations ré- glées comme décrit ci-après. On a constaté qu'en utilisant un mélange de gaz réducteurs du type décrit ci-après et dans les conditions également mentionnées par la suite, on peut facilement obtenir des taux de conversion du mi- nerai de 80 à 90% en 3 à 4 heures.
En général, le mélange de gaz réducteurs pour le traitement d'un minerai conformément à la présente invention est obtenu à partir d'air atmosphérique et d'un gaz réducteur contenant de l'hydrogène et de l'oxyde de carbone comme ingrédients principaux. On peut préparer le gaz réducteur à teneur élevée en hydrogène et en anhydride carboniqùe de plusieurs manières connues. Par exemple, si on doit traiter le minerai dans une région dans laquelle on dispose de gaz naturel, on peut mélanger ce dernier avec de la vapeur d'eau et le transformer par catalyse en hydrogène et en oxyde de carbone, par un procédé indus- triel connu. Dans une variante, on peut faire appel à la réaction bien connue du gaz à l'eau pour former un mélange de gaz ayant la composition déparée.
Dans l'un. de ses modes de mise en oeuvre géné- raux, le procédé de l'invention consiste à chauffer un courant de gaz réducteur du type mentionné ci-dessus jusqu'à
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une température comprise entre 704 et 955 C, à préchauf- fer sépareront un courant d'air à une température de 704 à 955 C, et à injecter continuellement dans le courant de gaz chauffé une quantité limitée et réglée d'air pré- chauffé pour qu'une partie seulement du gaz réducteur soit enflammée et élevé ainsi la température du courant de gaz mixtes à 982 à 1230 C. L'air nréchauffé est mélangé de façon désirable avec le gaz préchauffé dans les propor- tions d'environ 0,1 à 0,25 volume d'air par volume de gaz.
Le mélange de gaz réducteurs résultant est envoyé dans un lit de minerai qu'il traverse de préférence vers le bas pour effectuer la réduction désirée du minerai en fer mé- tallique. L'état particulier de division du minerai ne semble pas critique, une dimension appropriée des parti- cules étant comprises entre 6,25 et 25,4 mm. Si on le désire, on peut utiliser un minerai enrichi.
On a constaté que pour obtenir le taux de con- version élevé désiré du minerai en fer métallique dans un laps de temps pratique, il est important de disposer d'une source continue de gaz réducteur qu'on puisse ré- gler de façon facile et prédéterminée en ce qui concerne sa température et, à certain degré, sa composition. Dans le procédé de l'invention dans lequel on mélange des cou- rants séparément préchauffés de gaz et d'air et dans le- quel on fait brûler une partie du gaz pour obtenir la température finale désirée, on peut facilement obtenir cette aptitude au réglage et cette continuité.
Bien qu'en réalité la proportion des composants réducteurs contenus dans le gaz réducteur soit réduite par oxydation quand de l'air est ajouté, les avantages de l'augmentation de tem-
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pérature obtenue avec cette addition d'air compensent les inconvénients de la concentration réduite des composants réducteurs contenus dans le gaz réducteur. En outre, en préchauffant l'air et le gaz, on peut atteindre la tempé- rature relativement élevée désirée sans dilution excessi- ve du gaz réducteur avec l'azote de l'atmosphère.
Un autre avantage du procédé de l'invention ré- side dans le fait que le débit du gaz réducteur et de l'air peut être commodément réglé en des points où les gaz sont à basse température, c'est-à-dire avant le préchauffage .
Ainsi, les difficultés pratiques rencontrées dans le réglas ge du débit des gaz aux températures élevées sont évitées.
Afin de mieux faire comprendre la nature de la présente invention, on va maintenant décrire un mode de mise en oeuvre préféré du procédé de l'invention, en se reportant à la figure unique du dessin annexé qui représen- te un schéma de circulation d'un système de réduction du fer pouvant être utilisé pour la mise en oeuvre de l'inven- tion. Le système de réduction de minerais représenté sur le dessin comprend trois unités de réduction désignées dans leur ensemble par A, B et C, respectivement, et dont chacu- ne comprend un préchauffeur du gaz réducteur, 'un préchauf- feur d'air et' un réacteur.
Plus particulièrement, le systè- me représenté comprend les préchauffeurs 10a 10b et 10c pour le préchauffage du gaz réducteur comme décrit ci-des- sus, les préchauffeurs 12a, 12b et 12c pour préchauffer l'air comme décrit ci-dessus, et les réacteurs 14a 14b et 14c dans lesquels le minerai de fer est réduit en fer spongieux.
Etant donné que les unités de réduction A, B et C sont de structure similaire, on ne décrira en détail que l'unité A.
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Le préchauffeur 10a pour le gaz réducteur contient un serpentin 16a qui est chauffé par des brûleurs 18a qui sont montés à intervalles sur un collecteur 20a de gaz combustible. Le gaz réducteur à chauffer est fourni par un conduit 22a à l'admission du serpentin 16a dans le- quel il est chauffé par les brûleurs 18a et il sort du préchauffeur par un conduit 24a. Les brûleurs 18a reçoivent le gaz combustible du conduit d'alimentation 26a par un branchement 28a contenant une vanne régulatrice 30a.
L'air à mélanger avec le Gaz réducteur est pré- chauffé dans le préchauffeur d'air 12a qui contient un serpentin 32a chauffé par des brûleurs 34a qui sont dis- posés à intervalles sur un collecteur 36a. Le gaz combus- tible est fourni au collecteur 36a et aux brûleurs 34a par un conduit d'alimentation 26a par l'intermédiaire d'un branchement 38a comportant une vanne régulatrice 40a L'air à préchauffer est envoyé sous pression, par un con- dui.t 42a contenant une vanne régulatrice 44a à l'extré- mité d'admission du serpentin 32a et il circule dans le serpentin dans lequel il est chauffé à la température dé- sirée par les brûleurs 34a L'air préchauffé sort du pré- chauffeur 12a par un conduit 45.': .
Comme mentionné ci-dessus, le gaz réducteur et l'air préchauffés sont mélangés dans les proportions appropriées pour déterminer une combustion partielle du gaz en vue d'accroître la température du mélange résul- tant d'une valeur prédéterminée, sans introduction d'une concentration en azote excessive dans le mélange. On fait ensuite circuler le mélange résultant vers le bas à travers un lit de minerai de fer finement divisé.
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En examinant de nouveau le dessin, on voit que la réduction du minerai de fer a lieu en discontinu dans le réacteur vertical cylindrique 14a comportant un couver- cle 46a à brides et contenant un lit de minerai finement broyé 48a qui repose sur une plaque de support 50a percée d'une multitude d'ouvertures. Au couvercle 46a sont rac- cordés un mélangeur de gaz 52a, dont l'extrémité de gau- che 54a.est reliée au conduit 45a pour recevoir un courant d'air préchauffé de celui-ci. Le conduit 24a pour le gaz réducteur est raccordé en 56a sur le coté du mélangeur pour fournir un courant continu de gaz réducteur préchauf- fé à celui-ci. La combustion partielle du gaz réducteur mentionné ci-dessus se produit dans le mélangeur 52a.
Le mélange résultant de gaz réducteurs circule entre le mélangeur 52a et le réacteur 14a en traversant le lit 48a dans lequel il réduit le minerai de fer en fer spon- gieux, et il sort par un conduit 58a d'évacuation des gaz.
Les unités de réduction B et C sont similaires à l'unité A et leurs diverses parties sont identifiées par les mêmes références pourvues, pour les parties correspon- dantes de l'unité A, des lettres "b" ou "c" utilisées con- jointement avec les références pour indiquer que lesdites parties appartiennent aux unités B ou C, respectivement.
On va maintenant examiner la partie inférieure de gauche du dessin. Un gaz réducteur qui est formé prin- cipalement d'hydrogène et d'oxyde de carbone, qui peuvent être obtenus de la manière décrite ci-dessus, est envoyé aux unités A, B et C 'par une conduite principale 100 pour les gaz qui communique avec les conduits d'amenée des gaz réducteurs 22a, 22b et 22c des unités A, B et C, respecti-
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vement. Les conduits 22a, 22b et 22c comportent respecti- vement des vannes 60a, 60b et 60c pour relier sélectivement la conduite 100 en vue de l'alimentation de n'importe la- quelle des unités A, B et C et du réglage du débit de gaz dans celles-ci.
On a constaté que lorsqu'on utilise un gaz re- lativement riche en composants réducteurs, le gaz sortant des réacteurs 14a 14b et 14c par les conduits 58a, 58b et 58c respectivement après un seul passage dans les masses de minerai a encore un pouvoir réducteur suffisant pour pouvoir être utilisé de nouveau de façon avantageuse en vue d'une réduction de minerai. Par suite, le système con- forme à l'invention permet de recycler ce gaz réducteur partiellement usé. Pour des raisons de commodité, le gaz réducteur entrant frais sera appelé le gaz réducteur primaire et le gaz sortant des réacteurs 14a 14b et 14c, après un seul passage dans ceux-ci, sera appelé gaz secon- daire.
Toujours en examinant le dessin, on voit que les conduits 58a 58b et 58c peuvent être reliés au choix, au moyen de vannes 62a, 62b et 62c, respectivement, à un conduit 102 pour le gaz recyclé secondaire. Le gaz primai- re, après avoir traversé le lit de minerai, contient une quantité considérable de vapeur d'eau formée au cours de la réaction de réduction et cette eau est éliminée de fa- çon désirable du gaz secondaire avant sa réutilisation.
En conséquence, le gaz secondaire est amené par le conduit 102 pour le gaz recyclé dans un appareil de refroidissement 104 comportant des pulvérisateurs d'eau 106 recevant de l'eau par un conduit 108 Dans l'appareil 104, le gaz secondaire
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circule à contre-courant de l'eau pulvérisée et est ainsi refroidi et débarrassé de son humidité. Le gaz secondaire déshydraté sort de l'appareil de refroidissement par le conduit 112 et l'eau de pulvérisation sort de cet appa- reil par le conduit 110. Le conduit 112 peut être relié au choix à l'un des conduits 22a, 22b et 22c d'amenée du gaz réducteur au moyen des vannes 64a 64b et 64c respec- tivement. Si on le désire, on peut enrichir le gaz secon- daire en y mélangeant une partie du gaz primaire .
Quand le gaz secondaire a effectué un second passage à travers le lit de minerai, il est rejeté du système. Sur le dessin, on voit que les conduits 58a 58b et 58c de décharge du réacteur peuvent être raccordés au choix au moyen des vannes respectives 66a, 66b et 66c à un collecteur 114 pour les gaz rejetés, par lequel les gaz le jetés sont évacués du système. On peut noter que les gaz rejetés ont encore une valeur calorifique appréciable et qu'on peut les utiliser cornue combustible dans une chau- dière ou dans d'autres appareils de chauffage .
Afin de faire ressortir plus clairement la na- ture de l'invention, on va maintenant décrire un exemple particulier du mode de fonctionnement d'un système tel que celui qui est représenté sur le dessin annexé. Dans cet exemple, les unités A, B et C sont mises en oeuvrepen- dant des cycles de six heures chacun durant lesquels cha- que unité est maintenue "en marche productive" c'est-à- dire qu'un courant de gaz réducteur traverse le lit de mi- nerai pendant 4 heures et que le réacteur est vidé et re- chargé pendant une autre période de deux heures. Pendant la période de 4 heures pendant laquelle chaque réacteur
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est en marche productive, il reçoit du gaz secondaire pen- dant 2 heures et du gaz réducteur primaire rendant encore 2 heures.
On supposera initialement que le réacteur 14a contient une charge fraîche de minerai 48a que le réacteur 14b a été en marche productive pendant une période de 2 heu- res au cours de laquelle il a reçu du gaz réducteur secon- daire et que la réduction du minerai 48c dans le réacteur 14c est terminée et qu'il est prêt à être déchargé. La di- mension des particules du minerai chargé dans les réacteurs peut commodément être comprise entre 6,35 et 25,4 milliè- tres.
Dans les conditions supposées, les vannes 60a et 62a de l'unité A sont fermées et les vannes 64a et 66a de cette unité A sont ouvertes. Le gaz secondaire circule dans le conduit 22a jusqu'au préchauffeur 10a et il passe ensuite par son serpentin 16a dans lequel il est chauffé à environ 871 C. Le gaz préchauffé circule dans le conduit 24a aboutissant au mélangeur 52a De l'air atmosphérique sous pression est fourni par le conduit 42a au préchauffeur 12 et il circule dans son serpentin 32a où il est chauf- fé à 871 C, puis il parvient par le conduit 44a au mélan- geur 52a. Les débits de gaz et d'air sont maintenus à des valeurs telles que le rapport volumétrique de l'air au gaz soit maintenu entre 0,20:1 et 0,25:1.
Dans le mélangeur 52a, le gaz et l'air sont inti- mement mélangés et une portion du gaz est brûlée par l'oxy- gène de l'air, ce qui porte la température du mélange à en- viron 1149 C. Le mélange chaud de gaz réducteurs circule vers le bas à travers le lit de minerai 48a et réduit par- tiellement le minerai en minerai spongieux. Après avoir
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traversé le lit de minerai, le mélange de gaz passe par le conduit 58a dans la conduite principale de gaz reje- tés 114. Le gaz rejeté possède encore une valeur calori- fique d'environ 3150 kilocalories/m3 et peut donu être utilisé comme gaz combustible.
En ce qui concerne l'unité B, les vannes 60b et 62b sont ouvertes et les vannes 64b et 66b sont fermées. Le gaz réducteur primaire provenant de la conduite principale 100 passe par le conduit 22b dans le préchauffeur 10b Le gaz primaire possède approximativement la composition sui- vante : hydrogène, 72% oxyde de carbone, 14%; anhydride carbonique, 7% méthane, 5% ; eau,1%; et azote, 1%. Le gaz primaire circule dans le serpentin 16b du préchauffeur 10b dans lequel il est chauffé à 871 C et il passe ensuite par le conduit 24b dans le mélangeur 52b. L'air atmosphérique est préchauffé dans le préchauffeur 12b à 871 c et passe par le conduit 44b dans le mélangeur 52b. Le rapport volu- métrique entre l'air et le gaz réducteur primaire est main- tenu entre 0,20 :1 et0,25:1.
Dans le mélangeur 52b, l'air et le gaz réducteur primaire sont mélangés et une partie du gaz primaire est brûlée par l'oxygène de l'air, ce qui donne un mélange de gaz à une température d'environ 1149 c La composition approximative de ce mélange de gaz est la suivante : hydrogène, 57% oxyde de carbone, 18%; azote,14% eau, 7% anhydride carbonique,2%, et méthane,2/1, On remar- quera que la teneur en anhydride carbonique et la teneur en méthane du mélange de gaz sont toutes deux réduites par la réaction dans le mélangeur 52b. Ce mélange de gaz circule vers le bas à travers le lit 48b du réacteur 14b. Comme on l'a mentionné, le lit 48b est dans un état partiellement ré-
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duit, du fait qu'il a été traité au préalable pendant
2 heures avec du gaz secondaire.
A la fin de la période de traitement de 2 heures avec du gaz primaire modifié com- me décrit par mélange avec de l'air, le lit de minerai 48b est réduit en fer spongieux à un taux d'environ 90 pour cent.
Le mélange primaire de gaz réducteurs sortant du réacteur 14b passe par le conduit 58b dans le conduit
102 des gaz de recyclage et ensuite dans l'appareil de refroidissement 104 où il circule vers le haut, à contre- courant des jets d'eau. Dans l'appareil 104; la températu- re des gaz recyclés est réduite à une valeur légèrement supérieure à la température atmosphérique et une propor- tion notable de leur teneur en eau est éliminée. Le gaz passe ensuite de l'appareil de refroidissement 104 à un conduit 112 d'alimentation en gaz secondaire.
La comoosi- tion approximative du gaz secondaire est la suivante: hydrogène, 50%; oxyde de carbone, 14% azote, 16% anhy- dride carbonique, 12% ; méthane 1%, et eau, 7% Pendant que l'unité A fonctionne avec du gaz secondaire et l'uni- té B avec du gaz primaire, de la manière décrite, le ré- acteur 14c de l'unité C est déchargé et est rempli de nouveau. Pendant cette période, les vannes d'admission et
64c @ de sortie 60c 62c et 66c sont évidemment toutes fermées.
A la fin des deux heures de fonctionnement de la manière décrite ci-dessus, on met l'unité C en état de marche pro- ductive en utilisant du gaz réducteur secondaire comme agent réducteur, on laisse fonctionner l'unité A en marche pro- ductive mais on y fait passer du gaz primaire à la place du gaz secondaire comme agent réducteur, et on arrête l'u- nité B pour la décharger et recharger son réacteur 14b,
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Il ressort de ce qui précède que la présente invention est relative à un procédé de production de fer spongieux qui permet d'atteindre les buts mentionnés au début de la présente description.
Le gaz réducteur et l'air sont préchauffés séparément à des températures re- lativement élevées et on les mélange ensuite pour qu'une partie du gaz réducteur brûle et détermine une nouvelle augmentation ultérieure de température qui est désirable pour une réduction efficace du minerai de fer. En préchauf- fant séparément le gaz et l'air aux températures relati- vement élevées, cette nouvelle augmentation de la tempé- rature du mélange des gaz réducteurs est obtenue avec une perte minimum de composants réducteurs par oxydation dans l'effet de l'oxygène atmosphérique avec une introduction minimum d'azote de l'atmosphère dans le gaz réducteur. En outre, en utilisant une température de mise en oeuvre re- lativement élevée de l'ordre de 1149 c l'équilibre CO2-CO est déplacé de manière telle que la teneur en CO2 du gaz est réduite.
Il est bien entendu que la description qui précè- de n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'on peut appor- ter de nombreuses modifications aux produits, aux propor- tions et aux conditions qu'on a décrits sans sortir pour cela du cadre de l'invention. Comme on l'a mentionné, l'état de division du minerai peut varier fortement et on peut utiliser, si on le désire, un minerai enrichi. Si le gaz secondaire a une teneur trop faible en composants réducteurs, on peut l'enrichir en ajoutant du gaz primaire.
Les débits de l'air, du gaz réducteur, du gaz combustible et de l'eau peuvent être réglés à l'aide de dispositifs
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régulateurs automatiques conformément à des processus industriels bien connus et couramment utilisés. On peut utiliser d'autres types d'appareils de chauffage indirect à la place des serpentins de chauffage représentés, par exemple des appareils de chauffage tubulaires. D'autres modifications entrant dans le cadre de l'invention vien- dront à l'esprit des techniciens.
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It PROCESS OF REDUCTION OF IRON ORE ".-
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The present invention relates to the production of spongy iron by reduction of an iron ore with a reducing gas, and more particularly relates to a novel process for creating and maintaining in an iron ore bed reducing conditions which effectively convert an iron ore bed. relatively high proportion of iron ore to solid metallic iron, in a relatively short period of time.
For many years, blast furnaces have been used almost exclusively for the conversion of iron ore to metallic iron and their advantages as well as their disadvantages are well known. The blast furnace is a very efficient converter for large quantities of iron ore to metallic iron, but it becomes relatively inefficient as its quantities decrease. There are many cases in which one wishes to produce relatively small amounts of iron and, in this case, the large capital investment required to build a blast furnace of an economic dimension and to installing its necessary auxiliary devices cannot be justified.
Therefore, there is a need to develop an efficient small-scale process for reducing iron ore.
It is known that one can heat iron ore in finely divided form, in a reducing environment and at a temperature slightly below blast furnace temperatures, to reduce iron by bringing it into a porous solid form. known as spongy iron. It has been proposed to produce iron
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spongy, various processes in which reduction is carried out by mixing the iron ore with cocke or coal, or by passing a reducing gas over a bed of the ore or over a mixed bed of ore and solid reducing agent.
Since such processes do not require a large capital investment in the equipment which characterizes blast furnaces, they are in themselves capable of meeting the need for a reduction process. of small scale iron ore.
However, the methods proposed heretofore have the disadvantage either of not ensuring a sufficiently high conversion of the ore to metallic iron in a period of time which is practical from an economic point of view, or of using raw materials of a high quality. prohibitive price.
The present invention therefore relates to: a new process for manufacturing spongy iron from iron ore, a process in which a high degree of conversion of the ore is obtained in a relatively short period of time; - a process of this kind in which the desired reduction of the ore is carried out with abundant and inexpensive raw materials;
- treating an iron ore bed with a continuous supply of a mixture of reducing gases which has a predetermined substantially uniform composition and which is maintained at a relatively high substantially constant temperature,
Other characteristics and advantages of the present invention will become apparent during the description which follows.
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In the process according to the invention, the ore is reduced by passing a mixture of reducing gases through a bed of finely ground ore, in a known manner.
The invention relates principally to the method of preparing the mixture of reducing gases and the objects of the present invention are generally achieved by preparing this mixture in a series of operations regulated as described below. It has been found that by using a mixture of reducing gases of the type described below and under the conditions also mentioned below, it is easily possible to obtain ore conversion rates of 80 to 90% in 3 to 4 hours. .
In general, the mixture of reducing gases for the treatment of an ore according to the present invention is obtained from atmospheric air and a reducing gas containing hydrogen and carbon monoxide as the main ingredients. The high hydrogen and carbon dioxide reducing reducing gas can be prepared in several known ways. For example, if the ore is to be processed in an area where natural gas is available, it can be mixed with water vapor and catalyzed to hydrogen and carbon monoxide by an industrial process. known triel. Alternatively, the well known reaction of gas with water can be used to form a mixture of gases having the separate composition.
In one. of its general embodiments, the method of the invention consists in heating a stream of reducing gas of the type mentioned above to
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temperature between 704 and 955 C, on preheating will separate an air stream at a temperature of 704 to 955 C, and continuously injecting into the heated gas stream a limited and regulated amount of pre-heated air to that only a part of the reducing gas is ignited and thus raises the temperature of the mixed gas stream to 982 to 1230 C. The heated air is desirably mixed with the preheated gas in the proportions of about 0.1 at 0.25 volume of air per volume of gas.
The resulting reducing gas mixture is sent to an ore bed, which it preferably passes through downward to effect the desired reduction of the ore to metallic iron. The particular state of division of the ore does not appear to be critical, a suitable particle size being between 6.25 and 25.4 mm. If desired, an enriched ore can be used.
It has been found that in order to achieve the desired high conversion rate of the ore to metallic iron in a practical period of time, it is important to have a continuous source of reducing gas which can be easily and easily controlled. predetermined with respect to its temperature and, to a certain extent, its composition. In the process of the invention in which separately preheated streams of gas and air are mixed and in which part of the gas is burned to obtain the desired final temperature, this controllability can easily be achieved. and this continuity.
Although in reality the proportion of reducing components contained in the reducing gas is reduced by oxidation when air is added, the advantages of the increased temperature
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The temperature obtained with this addition of air compensates for the drawbacks of the reduced concentration of the reducing components contained in the reducing gas. Further, by preheating the air and gas, the desired relatively high temperature can be achieved without excessive dilution of the reducing gas with nitrogen from the atmosphere.
Another advantage of the process of the invention resides in the fact that the flow rate of the reducing gas and of the air can be conveniently regulated at points where the gases are at low temperature, that is to say before the flow. preheating.
Thus, the practical difficulties encountered in regulating the flow rate of gases at high temperatures are avoided.
In order to better understand the nature of the present invention, a preferred embodiment of the method of the invention will now be described, with reference to the single figure of the appended drawing which represents a flow diagram of the invention. an iron reduction system which can be used for practicing the invention. The ore reduction system shown in the drawing comprises three reduction units denoted as a whole by A, B and C, respectively, and each of which comprises a reducing gas preheater, 'an air preheater and'. a reactor.
More particularly, the system shown comprises the preheaters 10a 10b and 10c for preheating the reducing gas as described above, the preheaters 12a, 12b and 12c for preheating the air as described above, and the reactors 14a 14b and 14c in which the iron ore is reduced to spongy iron.
Since reduction units A, B and C are similar in structure, only unit A.
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The preheater 10a for the reducing gas contains a coil 16a which is heated by burners 18a which are mounted at intervals on a manifold 20a for combustible gas. The reducing gas to be heated is supplied by a duct 22a to the inlet of the coil 16a in which it is heated by the burners 18a and it leaves the preheater via a duct 24a. The burners 18a receive the combustible gas from the supply duct 26a via a connection 28a containing a regulating valve 30a.
The air to be mixed with the Reducing Gas is preheated in the air preheater 12a which contains a coil 32a heated by burners 34a which are arranged at intervals on a manifold 36a. The combustible gas is supplied to the manifold 36a and to the burners 34a by a supply duct 26a via a connection 38a comprising a regulating valve 40a The air to be preheated is sent under pressure, via a duct. .t 42a containing a regulating valve 44a at the inlet end of coil 32a and it circulates in the coil in which it is heated to the temperature desired by the burners 34a The preheated air leaves the preheater 12a by a conduit 45. ':.
As mentioned above, the reducing gas and the preheated air are mixed in the appropriate proportions to determine a partial combustion of the gas in order to increase the temperature of the resulting mixture by a predetermined value, without the introduction of a gas. excessive nitrogen concentration in the mixture. The resulting mixture is then circulated downward through a bed of finely divided iron ore.
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Examining the drawing again, it can be seen that the reduction of the iron ore takes place batchwise in the vertical cylindrical reactor 14a having a flanged cover 46a and containing a finely ground bed 48a which rests on a support plate. 50a pierced with a multitude of openings. To the cover 46a is connected a gas mixer 52a, the left end 54a of which is connected to the duct 45a to receive a preheated air stream therefrom. The reducing gas conduit 24a is connected at 56a on the side of the mixer to supply a continuous stream of preheated reducing gas thereto. Partial combustion of the reducing gas mentioned above occurs in mixer 52a.
The resulting mixture of reducing gases circulates between mixer 52a and reactor 14a passing through bed 48a in which it reduces iron ore to spongy iron, and exits through gas discharge line 58a.
Reducing units B and C are similar to unit A and their various parts are identified by the same references provided, for the corresponding parts of unit A, with the letters "b" or "c" used accordingly. together with references to indicate that said parts belong to units B or C, respectively.
We will now examine the lower left part of the drawing. A reducing gas which is formed mainly of hydrogen and carbon monoxide, which can be obtained as described above, is sent to the units A, B and C 'through a main line 100 for the gases which. communicates with the reducing gas supply ducts 22a, 22b and 22c of units A, B and C, respectively
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vement. The conduits 22a, 22b and 22c respectively have valves 60a, 60b and 60c to selectively connect the conduit 100 for the supply of any of the units A, B and C and the adjustment of the flow rate. gas in them.
It has been found that when a gas relatively rich in reducing components is used, the gas leaving the reactors 14a 14b and 14c through the conduits 58a, 58b and 58c respectively after a single passage through the masses of ore still has a reducing power. sufficient to be able to be used again advantageously for ore reduction. As a result, the system according to the invention makes it possible to recycle this partially spent reducing gas. For convenience, the fresh incoming reducing gas will be referred to as the primary reducing gas and the gas leaving the reactors 14a, 14b and 14c, after a single pass through them, will be referred to as the secondary gas.
Still examining the drawing, it can be seen that the conduits 58a, 58b and 58c can be connected as desired, by means of valves 62a, 62b and 62c, respectively, to a conduit 102 for the secondary recycle gas. The primary gas, after passing through the ore bed, contains a considerable amount of water vapor formed during the reduction reaction and this water is desirably removed from the secondary gas prior to its reuse.
As a result, the secondary gas is supplied through line 102 for the recirculated gas into a cooling apparatus 104 having water sprays 106 receiving water through a conduit 108 In the apparatus 104, the secondary gas
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circulates against the current of the sprayed water and is thus cooled and freed of its moisture. The dehydrated secondary gas leaves the cooling device through line 112 and the spray water leaves this device through line 110. Line 112 can optionally be connected to one of lines 22a, 22b and 22c for supplying the reducing gas by means of the valves 64a 64b and 64c respectively. If desired, the secondary gas can be enriched by mixing part of the primary gas with it.
When the secondary gas has made a second pass through the ore bed, it is released from the system. In the drawing, it can be seen that the reactor discharge conduits 58a 58b and 58c can be connected optionally by means of the respective valves 66a, 66b and 66c to a manifold 114 for the exhaust gases, through which the discharged gases are discharged from the system. It may be noted that the exhaust gases still have an appreciable calorific value and that they can be used as a fuel in a boiler or in other heating apparatus.
In order to bring out more clearly the nature of the invention, a particular example of the mode of operation of a system such as that shown in the accompanying drawing will now be described. In this example, units A, B and C are operated in cycles of six hours each during which each unit is kept "on productive operation" that is, a stream of reducing gas. passes through the ore bed for 4 hours and the reactor is emptied and recharged for another two hour period. During the 4 hour period in which each reactor
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is in productive operation, it receives secondary gas for 2 hours and primary reducing gas for another 2 hours.
Assume initially that reactor 14a contains a fresh charge of ore 48a that reactor 14b has been in productive operation for a period of 2 hours in which it received secondary reducing gas and that the reduction of the ore 48c in reactor 14c is complete and it is ready to be unloaded. The particle size of the ore charged to the reactors can conveniently be between 6.35 and 25.4 miles.
Under the assumed conditions, the valves 60a and 62a of unit A are closed and the valves 64a and 66a of this unit A are open. The secondary gas circulates in the conduit 22a to the preheater 10a and it then passes through its coil 16a in which it is heated to approximately 871 C. The preheated gas circulates in the conduit 24a leading to the mixer 52a Atmospheric air under pressure is supplied by line 42a to preheater 12 and it circulates in its coil 32a where it is heated to 871 ° C., then it arrives via line 44a at mixer 52a. The gas and air flow rates are maintained at values such that the volumetric ratio of air to gas is maintained between 0.20: 1 and 0.25: 1.
In mixer 52a, gas and air are thoroughly mixed and a portion of the gas is burnt by oxygen in the air, bringing the temperature of the mixture to about 1149 C. The mixture The hot reducing gas flows downwardly through the ore bed 48a and partially reduces the ore to spongy ore. After having
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Passed through the ore bed, the gas mixture passes through line 58a into the waste gas main 114. The waste gas still has a calorific value of about 3150 kilocalories / m3 and can therefore be used as a gas. combustible.
With respect to unit B, valves 60b and 62b are open and valves 64b and 66b are closed. The primary reducing gas from the main line 100 passes through the line 22b into the preheater 10b The primary gas has approximately the following composition: hydrogen, 72% carbon monoxide, 14%; carbon dioxide, 7% methane, 5%; water, 1%; and nitrogen, 1%. The primary gas circulates in the coil 16b of the preheater 10b in which it is heated to 871 C and then passes through the conduit 24b into the mixer 52b. Atmospheric air is preheated in preheater 12b to 871 c and passes through conduit 44b into mixer 52b. The volume ratio between air and primary reducing gas is maintained between 0.20: 1 and 0.25: 1.
In mixer 52b, air and primary reducing gas are mixed, and part of the primary gas is burnt by oxygen from the air, resulting in a mixture of gases at a temperature of about 1149 C. The approximate composition of this gas mixture is as follows: hydrogen, 57% carbon monoxide, 18%; nitrogen, 14% water, 7% carbon dioxide, 2%, and methane, 2/1, Note that the carbon dioxide content and the methane content of the gas mixture are both reduced by the reaction in the mixer 52b. This gas mixture flows downwardly through bed 48b of reactor 14b. As mentioned, bed 48b is in a partially restored condition.
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due to the fact that it was previously treated for
2 hours with secondary gas.
At the end of the 2 hour treatment period with modified primary gas as described by mixing with air, ore bed 48b is reduced to spongy iron at a rate of about 90 percent.
The primary mixture of reducing gases leaving the reactor 14b passes through line 58b into the line
102 of the recycle gases and then in the cooling apparatus 104 where it circulates upwards, against the current of the water jets. In the device 104; the temperature of the recycled gases is reduced to a value slightly above atmospheric temperature and a significant proportion of their water content is removed. The gas then passes from the cooling apparatus 104 to a conduit 112 for supplying secondary gas.
The approximate comoosion of the secondary gas is as follows: hydrogen, 50%; carbon monoxide, 14% nitrogen, 16% carbon dioxide, 12%; methane 1%, and water, 7% While unit A is operating with secondary gas and unit B with primary gas, as described, reactor 14c of unit C is unloaded and is refilled. During this period, the inlet valves and
64c @ output 60c 62c and 66c are obviously all closed.
At the end of the two hours of operation as described above, unit C is put into productive operation using secondary reducing gas as reducing agent, unit A is allowed to operate on pro- ductive operation. ductive, but primary gas is passed through it instead of secondary gas as a reducing agent, and unit B is stopped to unload it and reload its reactor 14b,
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It emerges from the foregoing that the present invention relates to a process for producing spongy iron which makes it possible to achieve the aims mentioned at the beginning of the present description.
The reducing gas and air are separately preheated to relatively high temperatures and then mixed so that a portion of the reducing gas burns and determines a further subsequent rise in temperature which is desirable for efficient reduction of the iron ore. . By preheating the gas and air separately to the relatively high temperatures, this further increase in the temperature of the reducing gas mixture is achieved with a minimum loss of reducing components by oxidation in the effect of oxygen. atmospheric with a minimum introduction of nitrogen from the atmosphere into the reducing gas. Further, by using a relatively high operating temperature of the order of 1149 ° C the CO2-CO balance is shifted such that the CO2 content of the gas is reduced.
It is understood that the foregoing description has been given only by way of example and that many modifications can be made to the products, the proportions and the conditions which have been described without to do this depart from the scope of the invention. As mentioned, the state of division of the ore can vary widely and an enriched ore can be used if desired. If the secondary gas has too low a content of reducing components, it can be enriched by adding primary gas.
The flow rates of air, reducing gas, combustible gas and water can be regulated by means of devices
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automatic regulators in accordance with well known and commonly used industrial processes. Other types of indirect heaters can be used in place of the heating coils shown, for example tubular heaters. Other modifications within the scope of the invention will come to the mind of those skilled in the art.