CH268590A - Procédé pour la réduction d'un oxyde métallique. - Google Patents

Description

  Procédé pour la réduction d'un oxyde métallique.    La présente invention réside en un perfec  tionnement au procédé connu de réduction  d'oxydes métalliques à l'aide d'hydrogène.  



  Bien qu'elle soit particulièrement utile  pour le traitement des     oxydes    du groupe du  fer, par exemple l'hématite, la limonite, le sul  fate ferreux calciné et l'écaille de rouille; elle  s'applique aussi au traitement des minerais de  ferro-nickel; elle est réalisée de préférence en  partant. d'un oxyde métallique qui a été mis  préalablement sous forme de nodules.  



  Dans les procédés pour la réduction de  l'oxyde de fer connus jusqu'ici, on fait passer  de l'hydrogène dans un four de réduction con  tenant de l'oxyde. Le coefficient d'utilisation  de l'hydrogène est faible et de l'ordre de 7 à  10% du gaz qui passe dans la zone de réduc  tion.  



  Comme l'hydrogène a une faible capacité  calorifique, il est. nécessaire, quand il est  chauffé préalablement pour fournir la chaleur  requise pour la réduction, d'en utiliser un très  grand volume, car l'hydrogène doit remplir  deux fonctions: amener l'oxyde à la tempéra  ture de réduction et fournir la chaleur néces  saire à la réduction     proprement    dite. Le pro.  cédé est ainsi très coûteux.  



  Le procédé selon l'invention pour la ré  duction d'un     oxyde    métallique au moyen de  l'hydrogène est caractérisé en ce qu'on effec  tue ladite réduction avec un mélange préala  blement chauffé d'hydrogène et: d'azote.  



  L'azote a une chaleur spécifique élevée  relativement à celle de l'hydrogène, ce qui per-    met de réduire la quantité d'hydrogène et le  volume total du mélange gazeux. Il est possible  aussi d'obtenir une meilleure utilisation de  l'hydrogène et d'autres avantages encore qui  seront décrits plus loin. Le mélange gazeux  qui a passé dans le four est avantageusement  réintroduit dans la zone de réduction, de telle  sorte qu'il parcourt un cycle, de l'hydrogène  frais étant. ajouté pour remplacer celui qui  est consommé pendant. la. réduction. Il est évi  dent que l'azote peut contenir une faible pro  portion des gaz rares de l'atmosphère tels  que l'argon ou le krypton.  



  Si l'on suppose que la matière première  utilisée est de l'oxyde ferrique pulvérisé qui  a été mis préalablement sous une forme appro  priée pour la réduction, par exemple sous  forme de nodules, il est nécessaire, avant de  réduire les nodules en métal, de les chauffer  à la température de réduction. Si l'on utilise  pour la. réduction de l'hydrogène préalable  ment chauffé seul, le volume devra être très  grand, comme indiqué précédemment. La  température de réduction devra être mainte  nue inférieure à     1000()    C, si l'on entend éviter  la fusion des nodules et. des particules qui les  composent et, par conséquent, il est nécessaire  de régler étroitement la température. Ce ré  glage est. difficile avec un grand volume  d'hydrogène.  



  Si la réduction s'effectue selon l'équation       Fe20;;        +        3H,    =     2Fe        -f-        3H20    - 23 cal.,  la chaleur de réduction est de 187 992 cal.  pour 907 kg de fer.

   La chaleur nécessaire pour      chauffer le     Fe.O,    correspondant à 907 kg de  fer à la température de réaction est de  225 540 cal., soit. au total 413 532 cal.     Consi-          dérant.        une        perte        par        radiation        de        8%,        soit     33 012 cal., 446 544 cal. sont nécessaires pour  produire 907 kg de fer métallique. D'autre  part, pour des raisons d'ordre pratique, on ne  peut guère porter l'hydrogène utilisé à une  température     supérieure    à 10000 C.

   Dans ces  conditions, il faudra 7082     m3    de gaz pour  élever la température de 1315 kg de     Feû0,     de la température de l'atmosphère à 8000 C.  Si ces 1315 kg de     Fe;O,    sont introduits dans  le four de réduction sous la forme de nodules  cuits à une     température    de 6000 C, la chaleur  nécessaire est de 262 483 cal. au lieu de  446 544 cal., ce qui signifie que le volume né  cessaire de gaz diminue de 7082 à 4192     m#1     pour obtenir 907 kg de fer.

      Si maintenant de l'azote est compris dans  le gaz en circulation et capable de s'accumu  ler, ou si de l'azote est ajouté au gaz en circu  lation, de façon que celui-ci contienne envi  ron     481)/o    d'azote, la quantité d'hydrogène qui  est consommée pour la réduction de 907 kg de  fer est alors équivalente à une utilisation de       l'hydrogène        d'environ        25%.       L'hydrogène commercial est rarement pur  et contient généralement- un     pourcentage    no  table d'impuretés. La consommation d'hydro  gène dans la réaction a pour effet. d'augmen  ter la proportion des impuretés de l'hydro  gène, lorsque     celui-ci    est remis en circulation.

    Il     convient    alors, afin de maintenir un pour  centage déterminé d'impuretés dans l'hydro  gène remis en circulation, de retirer une par  tie de celui-ci après chaque passage, particu  lièrement quand du CO se trouve parmi les       impuretés    du gaz fourni, car il s'oxyde en       C0,    pendant la réaction et cette dernière tend  à s'inverser, en provoquant     suie        réoxydation     du fer.     Il    est avantageux, de même, de mainte  nir bas le pourcentage d'hydrocarbures, qui  tendent, à se décomposer aux températures  auxquelles on opère.

       Puisque    de telles impu  retés n'ont aucun rôle utile ou même qu'elles  sont indésirables, il est indiqué de les élimi-         ner    ou d'en abaisser la teneur clans le cours  des cycles ou dans le gaz fourni. L'azote peut  être introduit directement dans le gaz fourni  à la teneur voulue, ou cette teneur peut être  atteinte par     acciunulation    au cours des re  cyclages;     ilne    fois la proportion appropriée  atteinte, une nouvelle addition d'azote devient  inutile.  



  L'exemple suivant se réfère à une mise en       ceuvre    du procédé selon l'invention, dans son  application à la réduction de nodules poreux  d'oxyde ferrique.  



  Les     nodules    d'oxyde ferrique sont chargés  dans un four à cuve dans lequel on fait pas  ser de haut en bas un mélange préalablement  chauffé d'hydrogène et d'azote, le mélange  gazeux pouvant être réintroduit dans le cycle  an moyen d'une canalisation fermée et d'un  compresseur, et chauffé préalablement à son  entrée dans le four. Après son passage dans le  four, le mélange gazeux est refroidi et lavé  avant, de passer dans le compresseur, puis  il passe ensuite dans une installation où il  est chauffé, et rentre dans le four.  



       L'utilisation    la plus économique s'obtient  avec un mélange gazeux contenant de l'hydro  gène et de l'azote dans la proportion d'au plus       701/o    d'hydrogène et d'au moins     301/o    d'azote,  le mélange utilisé de préférence contenant de       20    à     60%        de        H.,        et        de        40    à     80%        de        N.,.        Avec,     des     concentr        ations    d'hydrogène de cet.

   ordre  et une     température    de réduction d'environ  750 à 9000 C, les nodules d'oxyde ferrique  sont réduits en fer pratiquement pur sous  forme de nodules poreux en une heure à     Luie     heure et demie environ. Le métal devient  pyrophorique au-dessous de 7000 C environ et  les nodules et les particules qui les composent  tendent: à fondre au-dessus de 10000 C, de sorte  que l'intervalle préféré de températures dans  lequel on opère est compris entre 700 et  10000 C, les résultats les meilleurs étant. obte  nus entre 750 et 9000 C.  



  Dans cet, exemple, le four à cuve est du  type continu et a la capacité suffisante pour  recevoir 1315 kg de nodules d'oxyde ferrique  qui     donnent    907 kg de fer métallique quand  le processus de réduction est achevé. Les no-           dules    sont. amenés au sommet du four, après  avoir été préalablement chauffés à, 6000 C.  



  Le mélange gazeux initial chauffé     ait        préa-          lable        contient        51,9%        de        H_        et        48,1%        de        N_,     et on introduit d'une manière continue dans  le circuit gazeux un mélange composé de 970/0       de        Hû        et        de    3     %        de        N_,

          pour        remplacer        l'hydro-          gène    consommé et le gaz éliminé du cycle,  comme on le verra plus loin, et pour maintenir  un volume total de gaz en circulation de  3970     m3    environ, et un rapport d'hydrogène       de        51,9        %        dans        ce        gaz.     



  La chaleur contenue dans le gaz fourni est.  de 729 cal. par degré C, et. le gaz est chauffé       préalablement    à une température telle     qu'il     entre dans le four de réduction à une tempé  rature de 10000 C. Afin de réduire les nodules  dans le four à une     température    de 8000 C,  262 483 cal. sont nécessaires. Elles sont. four  nies conjointement par la chaleur contenue  dans les nodules et, dans le mélange     gazeiLl     admis dans le four.  



  Environ<B>25%</B> du contenu d'hydrogène du  gaz fourni sont utilisés dans la réduction, de  sorte que le résidu du gaz s'échappant     ait     sommet du four a une teneur en hydrogène  inférieure à celle du gaz entrant dans le four.  La vapeur d'eau produite par la réduction se  condense quand le gaz est refroidi, et une  partie (21     m3    environ) du mélange de     H_    et  de N-, contenant une trop grande proportion  de     N,,    est. retirée du circuit, du gaz plus riche  en hydrogène étant. introduit, comme indiqué  plus haut.

   Les 21     m3    de gaz retirés contien  nent. 14     m3    environ d'hydrogène, ce qui repré  sente une perte d'hydrogène de     21,511/o    seule  ment. L'hydrogène contenu dans le gaz retiré  peut être     avantageusement    brûlé pour chauf  fer partiellement l'installation de chauffage  de gaz ou pour chauffer au préalable les no  dules chargés dans le four.  



  Le gaz envoyé par le compresseur dans  l'installation de chauffage du gaz     petit    être  avantageusement chauffé     ait    préalable par  échange calorifique avec les produits gazeux  chauds provenant du four.  



  La balance calorifique est assurée dans le  système clos décrit et, par suite de la teneur         notable        en        azote,        48,1%,        dans        le        mélange        ga-          zeux,    la teneur en hydrogène est, diminuée à  une     valeur    telle qu'un chauffage préalable cor  rect est possible sans atteindre des tempéra  tures anormalement élevées. Si la température  des nodules introduits est abaissée, un volume  plus grand de gaz est. nécessaire pour fournir  la chaleur additionnelle requise.

      Le taux d'utilisation de l'hydrogène quand  les nodules sont: introduits à une     température     de<B>6000</B> C varie avec les proportions de     H.    et       de        N.        dans        le        mélange        gazeux.        Avec        95        %        de          H@        et        5%        de        N.        dans        le     <RTI  

   ID="0003.0074">   gaz        du        cycle,        par          exemple,        13,5%        de        l'hydrogène        sont        utilisés;

            avec        90        %        de        H,        et        10        %        de        N.,        14,3        %        de     l'hydrogène sont utilisés,

   le taux d'utilisation       de        L'hydrogène        étant        par        contre        de        25%        avec          51,9%        de        H,,        et        48,1%        de        N,

          dans        le        cas        con-          sidéré.    Le coût de l'hydrogène on du combus  tible pour le chauffage préalable, ou des deux,  à l'endroit où se trouve le four, est détermi  nant pour savoir si un plus grand pourcentage  d'hydrogène ou un plus grand pourcentage  de     N.,    doit être utilisé.

      Pour les opérations industrielles, l'hydro  gène produit à partir du gaz à l'eau, d'un gaz  naturel, ou par un antre procédé, comprend  généralement de 95<B>à</B>     971/o    de H, et     31/o    de  gaz inertes environ, les 1,5 à     2,51/o    du total  (soit.     M    + gaz inertes) étant de l'azote, le  solde étant. du CO. L'azote peut être ajouté  pour diminuer la concentration de l'hydrogène  à. une valeur appropriée.

   L'azote additionnel       petit    être récupéré dans le gaz retiré après     un     lavage ou une autre opération de purifica  tion, et il     petit    être alors ajouté en quantité  convenable     ait    gaz à l'eau ou à. une autre  source de gaz d'alimentation.

   Cependant,  quand l'hydrogène disponible contient de  l'azote, par exemple     311/o,    et qu'une teneur de       .11%        est        désirée        dans        le        gaz        rentrant        dans        le     cycle polo' assurer la quantité de chaleur  appropriée, on peut. laisser la teneur en azote       s'élever    à     ce        pourcentage        (41%)        avant        de     retirer du gaz du circuit.  



  Comme il a été dit, il est préférable que le  mélange gazeux utilisé ne contienne ni mono-           oxyde    de carbone, ni hydrocarbures en quan  tité appréciable,     mais    dans les cas où l'hydro  gène contient     jusqu'à        51/o        d'iu@.    hydrocarbure,  tel que le méthane par exemple, il n'est pas  nécessaire de le     purifier    avant l'emploi. Dans  le cas du     monoxyde    de carbone, son oxydation  en<B>CO,,</B> et son retour à l'état de CO avec     ré-          oxydation    du fer nécessitent qu'il soit éliminé  le plus possible.

   Ordinairement, quand de  l'hydrogène du commerce à     9511/o    est fourni  comme gaz d'alimentation, le pourcentage de  CO est seulement de 2,5 % de     N@    à 2,5     11/o,    de  sorte que la dépense pour éliminer le CO du  gaz fourni peut ne pas être justifiée. Dans  cette éventualité, le CO, résultant peut être       éliminé    par lavage du gaz rentrant dans le  cycle au moyen dune solution     d'éthanolamine,     après le refroidissement du gaz quand il a       quitté    le four.

   Dans le cas où on désire éli  miner pratiquement le CO du gaz fourni; ou  si sa teneur est trop élevée, le CO peut être       éliminé    du gaz fourni avant son introduction  dans le circuit en passant à travers une solu  tion ammoniacale d'un mélange de formiate,  d'acétate ou de carbonate cuivrique et cui  vreux. En éliminant le CO de cette manière,  les pourcentages de     H,    et de N, augmentent,  comme cela est désirable.  



  On a trouvé     que    pour certains oxydes, la  température de réduction ne devrait pas dé  passer 9000 C, mais, si l'on opère avec un gaz  porté préalablement à 10000 C, cette limite  peut être dépassée en quelques points. Pour       éviter    cela, on peut     introduire    le gaz en     phis     d'un point, le gaz le plus chaud, soit;

   à 10000 C,  étant introduit en haut du four où les no  dules restent non réduits, et le gaz à la     phis     basse température, de 9000 C par exemple,  étant introduit à l'extrémité inférieure du       four.    Ceci nécessite une seconde installation  de     chauffage    préalable pour le gaz à la plus  basse température, ou un échangeur calori  fique réducteur de température à travers le  quel une partie du gaz passe entre l'installa  tion de chauffage et le four, pour réduire la  température du gaz à 9000 C, tandis que le  reste du gaz à 10000 C est conduit directement  au     four    depuis l'installation de chauffage.

      Les nodules complètement réduits, qui peu  vent être obtenus en partant de l'oxyde ferri  que dans les conditions décrites, sont encore  séparés et libres. Si l'on désire obtenir la  poudre métallique commerciale, les nodules  poreux réduits sont refroidis dans une atmo  sphère réductrice et sont ensuite divisés fine  ment. A cause de leur porosité, les nodules  sont facilement broyés par des rouleaux et  ensuite moulus au degré de finesse commer  cial désiré.  



  D'une autre manière, les nodules chauds  réduits peuvent être déchargés directement  du four de réduction sous une atmosphère  réductrice dans une presse à briquettes, à  estampage ou à moulage maintenue dans une  atmosphère réductrice, où les nodules chauds  sont facilement comprimés grâce à leur poro  sité, en briquettes ou en produits métalliques  demi-finis ou finis, avec ou sans aggloméra  tion ultérieure à température de frittage pour  souder ensemble les particules en contact.

   Le  degré de compression détermine la densité du       produit    fini, qui variera habituellement sui  vant que l'on veut     utiliser    ce produit comme  matière à fondre pour charger un foyer  ouvert, ou un four électrique, ou comme ma  tière à laminer ou forger en barres ou autres  formes, ou pour former, avec ou sans recuite,  directement des pièces de machines.  



  D'une autre manière encore, les nodules       réduits    et chauds peuvent être immédiatement  déchargés du four de réduction, de préférence  par gravité et; sous une atmosphère réductrice,  dans un élément pour la fusion, tel     qu'un.    four  à induction, dans lequel les nodules sont fon  dus, le liquide fondu étant ensuite coulé dans  les formes désirées ou injecté dans un milieu  réfrigérant non oxydant, tel qu'un gaz réduc  teur, pour produire une poudre métallique  fine pour l'industrie. Des matières d'alliage  peuvent être ajoutées ou non au produit  fondu, suivant que l'on désire produire du fer  pur, de l'acier au carbone ou un alliage d'acier,  sous la forme de moulages ou de poudre,  comme décrit.  



  Quand on réduit des minerais de     ferro-          nickel    par le procédé selon l'invention, le      nickel peut être récupéré séparément par     lixi-          viation.  

Claims (1)

1. REVENDICATION: Procédé pour la réduction d'un oxyde mé tallique au moyen de l'hydrogène, caractérisé en ce qu'on effectue ladite réduction avec lui mélange préalablement chauffé d'hydrogène et d'azote. SOUS-REVENDICATIONS. 1. Procédé selon la revendication, caracté risé en ce que ledit mélange réducteur con tient de 20 à 70% d'Hydrogène. '?. Procédé selon la revendication, caracté risé en ce qu'on fait. passer périodiquement le mélange réducteur en contact avec l'oxyde à réduire, et en ce qu'on ajoute de l'hydrogène frais pour remplacer celui qui est utilisé lors de chaque passage. 3.

   Procédé selon la revendication et la sous-revendieation 2, caractérisé en ce qu'on ajoute de l'azote frais en même temps que l'hydiogè.ne fiais, et en ce qu'on retire une partie dit mélange en circuit pour éliminer de eelui-ei des impuretés dont la teneur a auo'- inenté par suite de la consommation de 1'liy di-o- g èn e. 4.

   Procédé selon la revendication, caracté risé en ce que l'oxyde métallique est sous forme de nodules poreux, et en ce qu'on le réduit dans un four à cuve à travers lequel le mélange réducteur préalablement chauffé passe de bas en haut. 5. Procédé selon la revendication et la sous- revendication 4, caractérisé en ce qu'on intro duit dans le four le mélange réducteur préala blement chauffé et en plusieurs fractions, la fraction chauffée à la plus haute température étant introduite plus haut dans le four que la fraction chauffée à la plus basse tempéra ture. 6.

   Procédé selon la revendication et la sous- revendication 4, caractérisé en ce qu'on chauffe les nodules avant de les charger dans le four, et en ce qu'on utilise pour cela le mélange réducteur retiré du four et ayant servi à suie opération précédente. 7. Procédé selon la revendication et la sous-revendication 4, caractérisé en ce qu'on chauffe le mélange réducteur avant de l'in troduire dans le four, au moyen du mélange réducteur retiré du four et avant servi à une opération précédente.