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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.