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Procédé de fabrication directe d'acier à partir de matières solides à base de fer.
La présente invention concerne un procédé de fabrication directe d'acier à partir de matières solides à base de fer.
A l'heure actuelle, la fabrication industrielle d'acier est essentiellement effectuée suivant deux grandes voies.
La première voie est basée sur l'utilisation de minerai de fer et sur sa transformation progressive en acier. Elle comporte dès lors des étapes successives de préparation du minerai, d'élaboration de la fonte, principalement dans un haut fourneau, et de conversion de cette fonte en acier, généralement par voie pneumatique dans un convertisseur.
Il s'agit d'une voie longue, qui présente divers inconvénients : des frais d'investissement et des coûts de fabrication élevés, en raison des nombreuses opérations précitées ; une grande consommation d'énergie, en particulier au haut fourneau ; un très fort impact sur l'environnement, à cause des importants volumes de gaz qu'elle émet et des grandes quantités de résidus qu'elle engendre.
La seconde voie s'articule habituellement autour d'un four à arc électrique, dans lequel on produit de l'acier par refusion de ferrailles.
Cette voie est nettement plus courte, et à cet égard plus économique, que la première voie précitée.
On sait qu'il existe actuellement sur le marché des quantités toujours croissantes de ferrailles d'origines diverses, telles que des carcasses de véhicules automobiles ou d'appareils électroménagers. Les règlementations en matière de protection de l'environnement imposent de plus en plus que ces ferrailles soient recyclées. Sur le plan économique, ces ferrailles peuvent constituer une matière première intéressante pour la production d'acier de masse. La composition de l'acier ainsi produit est évidemment tributaire de la composition des ferrailles recyclées.
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Les procédés d'élaboration d'acier relevant de la première voie précitée ne permettent d'utiliser qu'une quantité limitée de ferrailles, notamment en raison de l'effet refroidissant de ces ferrailles sur le bain d'acier liquide.
De plus, la composition des ferrailles n'est pas toujours compatible avec celle de l'acier à élaborer.
De même, la production d'un acier de qualité, à composition chimique bien contrôlée, est difficile à réaliser actuellement par la seconde voie indiquée plus haut, en raison de la versatilité et de la qualité parfois médiocre des ferrailles enfournées.
Une proportion élevée des ferrailles disponibles à l'heure actuelle contient en effet diverses substances, combinées à l'acier de base pour améliorer ses propriétés d'utilisation. Certaines substances sont présentes à la surface des ferrailles, sous la forme de revêtements tant organiques que métalliques. D'autres sont des éléments d'alliage, comme le chrome, le nickel, le cuivre ou le cobalt, combinés à des éléments constitutifs de l'acier, sous différentes formes selon leur fonction. La fabrication d'un acier au carbone à partir de ces ferrailles exige que l'on élimine au maximum les substances indésirables présentes dans celles-ci.
Les matières organiques peuvent en principe être éliminées par un chauffage à une température relativement peu élevée, qui provoque leur combustion ou au moins leur fusion.
Les métaux de revêtement, tels que le zinc ou le plomb, ont un point de volatilisation relativement bas ; ils peuvent dès lors, pour la plus grande part, être éliminés en préchauffant les ferrailles à une température suffisante, par exemple supérieure à 900*C. D'autres métaux de revêtement, en particulier le chrome et l'étain, peuvent être éliminés par voie électrolytique. Il peut néanmoins subsister une certaine quantité de ces métaux de revêtement, engagés par exemple dans des composés intermétalliques avec l'acier de base, et qui se retrouvent dans le bain de métal résultant de la fusion des ferrailles. Certains métaux, en particulier le zinc, sont ensuite entraînés dans les fumées et doivent en être séparés.
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Les éléments d'alliage, tels que le cuivre, le chrome, le nickel ou le cobalt déjà cités, ne peuvent pas être éliminés par les moyens indiqués et se retrouvent dès lors dans le métal fondu. Il convient alors d'abaisser leur concentration en diluant le bain de manière appropriée.
Le moyen classique de réduire la concentration de ces éléments indésirables consiste à diluer le bain de métal fondu en lui ajoutant une quantité appropriée d'une matière ferreuse vierge telle que de la fonte liquide ou de l'éponge de fer produite à partir de minerais.
L'addition de fonte liquide implique que l'on. dispose sur place, ou à faible distance, d'une installation de production de fonte. Outre que cette technique est coûteuse, elle introduit dans le métal fondu des quantités importantes de carbone, qu'il faut éliminer par combustion avec de l'oxygène, ce qui produit d'importants volumes de fumées.
Lorsque, ce qui est le cas habituel, la production d'éponge de fer exige l'emploi de gaz naturel pour assurer la réduction du minerai de fer, la technique est coûteuse et n'est pas économiquement intéressante pour la production d'acier.
La présente invention a pour objet de proposer un procédé de fabrication d'un acier de qualité à partir de matières solides, qui permet d'échapper aux inconvénients précités. Ce procédé offre une voie courte et directe de fabrication d'un acier de qualité, dont la composition chimique est bien contrôlée, quelle que soit la qualité initiale des ferrailles. Il ne requiert pas l'utilisation de combustible noble, tel que du gaz naturel, ni l'addition de fonte liquide. Il constitue en fait un processus d'ensemble cohérent, qui permet une utilisation et une récupération optimales de l'énergie nécessaire ainsi qu'une minimisation des volumes de gaz rejetés dans l'atmosphère.
Conformément à la présente invention, un procédé de fabrication directe d'acier à partir de matières solides à base de fer comprenant notamment des ferrailles, est caractérisé en ce que :
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a) on produit un gaz réducteur à partir d'une matière combustible ; b) on réduit du minerai de fer au moyen dudit gaz réducteur, pour produire une matière ferreuse préréduite ; c) on préchauffe lesdites ferrailles à une température d'au moins 600*C ; d) on fond lesdites ferrailles préchauffées et on les dilue en leur ajoutant au moins une partie de ladite matière ferreuse préréduite ; et e) on ajuste les proportions de ferrailles et de matière préréduite pour obtenir un acier de composition désirée.
Le gaz réducteur peut être produit par toute méthode et à partir de tout combustible solide, liquide ou gazeux.
Dans le cadre de l'invention, il s'est avéré particulièrement intéressant de produire ledit gaz réducteur par un procédé connu de dissolution de charbon dans un bain de fer liquide, dans lequel on insuffle un gaz oxydant, de préférence de l'oxygène industriellement pur pour assurer la combustion du carbone. Cette opération s'accompagne avantageusement d'une injection de vapeur d'eau dans ce bain de fer liquide, pour contrôler la température du gaz réducteur produit, ou encore de l'addition d'un fondant basique tel que chaux, castine ou dolomie, pour faciliter la neutralisation des cendres du charbon.
La température et la composition du gaz réducteur peuvent être ajustées aux valeurs requises pour la réduction du minerai de fer, de préférence par mélange avec un autre gaz. Cet autre gaz est avantageusement un gaz recyclé provenant de ladite opération de réduction.
Le minerai de fer à réduire peut se trouver sous différentes formes, depuis le minerai en morceaux jusqu'au minerai finement divisé. Le minerai en morceaux peut être cru ou être constitué par des pellets ou des fragments d'aggloméré. Le minerai de fer finement divisé est de préférence injecté dans le four de réduction.
L'opération de réduction peut être effectuée dans tout four approprié, tel qu'un four du type à cuve ou un réacteur à lit fluidisé.
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La matière ferreuse préréduite ainsi produite est avantageusement une éponge de fer, en morceau ou en poudre suivant la forme du minerai utilisé ; sa température est généralement d'au moins 800*C, et elle est de préférence comprise entre 950. C et 1000.
C. n est par ailleurs avantageux de récupérer le gaz, qui quitte le réacteur de réduction et, après un traitement approprié, de recycler au moins une partie dudit gaz dans le présent procédé. 11 s'est notamment avéré intéressant de recycler, comme dit plus haut, une première partie dudit gaz, après refroidissement et décarbonatation, en le mélangeant audit gaz réducteur. Une autre partie dudit gaz peut être mélangée, après refroidissement, aux gaz chauds servant au préchauffage des ferrailles.
Les ferrailles à recycler sont préchauffées à une température d'au moins 600. C, et de préférence comprise entre 600. C et 800. C.
Les ferrailles préchauffées sont chargées dans un four de fusion, avec une quantité prédéterminée de matière ferreuse préréduite.
Les proportions de ferrailles et de matière préréduite chargées dans le four de fusion sont ajustées en fonction des compositions respectives de ces ferrailles et de cette matière préréduite d'une part et de l'acier à produire d'autre part.
Les proportions de ferrailles et de matière préréduite peuvent être déterminées par toute méthode appropriée. En particulier, on peut pratiquer une analyse des ferrailles et de la matière préréduite avant de les charger dans le four de fusion, puis constituer la charge et l'introduire dans le four. On pourrait également charger les ferrailles dans le four, les fondre puis analyser le bain fondu et enfin ajouter la quantité requise de matière préréduite pour atteindre la composition finale visée.
Les ferrailles et la matière préréduite sont fondues, de préférence simultanément, par un apport d'énergie approprié dans le four de fusion.
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Cet apport d'énergie peut être assuré par des moyens classiques, tel que des arcs électriques ; il peut également être assuré, au moins en partie, par des moyens tels que des brûleurs oxy-charbon ou par l'injection de charbon pulvérisé.
Il est également intéressant de récupérer les gaz chauds à très haute température qui quittent le four de fusion, en particulier pour préchauffer les ferrailles à recycler.
Le procédé de l'invention sera maintenant décrit de manière plus détaillée, à l'aide d'une variante particulière de mise en oeuvre qui est illustrée par les dessins annexés, dans lesquels la Fig. 1 montre le schéma de principe de ladite variante préférée du procédé de l'invention ; et la Fig. 2 illustre un exemple chiffré de marche suivant le schéma de la Fig.
1.
Ces deux figures constituent des représentations schématiques, dans lesquelles on n'a reproduit que les éléments qui concernent directement le procédé de l'invention. Des éléments identiques sont désignés par les mêmes repères numériques dans les deux figures, et les sens de circulation des diverses matières sont indiqués par des flèches appropriées.
La Fig. 1 montre une installation destinée à la mise en oeuvre d'une variante préférée du procédé de l'invention. Cette installation se compose essentiellement d'un réacteur 13 de production de gaz réducteur, d'un four 14 de réduction du minerai de fer, d'une enceinte 15 de préchauffage des ferrailles, et d'un four à arc électrique 16 pour l'élaboration de l'acier désiré.
Le réacteur 13 contient un bain de fer fondu, de préférence un bain de fonte liquide. On y charge du charbon sec CS et de la castine CaO destinée à faciliter la neutralisation des cendres du charbon. On insuffle, de préférence par le fond, de l'oxygène industriellement pur, qui réagit avec le charbon pour former un gaz réducteur GR contenant notamment du CO et du H2. On introduit également de la vapeur d'eau surchauffée, pour contrôler la température du gaz réducteur GR produit.
La composition du
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gaz réducteur (gaz 1) varie en fonction de la composition du charbon, en particulier suivant ses teneurs en carbone et en matières volatiles 0, H et N. Du réacteur 13, on extrait un laitier LI, qui contient notamment les cendres et diverses impuretés provenant du charbon, ainsi qu'un peu de fonte F.
Par tout moyen approprié, on abaisse la température du gaz GR jusqu'à une valeur requise pour la réduction des minerais (gaz 2), avant de l'introduire dans le four de réduction 14, qui contient une charge de minerai de fer MF.
L'opération de réduction produit d'une part une éponge de fer EF chaude et d'autre part un gaz GG, qui contient du CO, du H, du CO et du HO (gaz 3). Ce gaz est refroidi et épuré dans un appareil approprié 17, tel qu'un laveur, pour en éliminer la majeure partie de la vapeur d'eau (gaz 4), puis une partie de ce gaz refroidi et épuré (gaz 5) est soumise à une décarbonatation dans une enceinte 18 pour en extraire le CO. La partie du gaz GG ainsi traitée (gaz 7), peut être mélangée au gaz réducteur GR pour abaisser la température de ce dernier, comme on l'a indiqué plus haut. Une partie du reste du gaz refroidi peut être prélevée pour une utilisation qui sera précisée plus loin.
Les ferrailles à recycler FR sont chargées dans une enceinte 15, où elles sont préchauffées avant d'être enfournées dans le four à arc électrique 16. Pendant ou après leur fusion, on ajoute l'éponge de fer, de préférence chaude pour éviter de refroidir le bain fondu et pour réduire ainsi les besoins en énergie du processus.
Les proportions de ferrailles et d'éponge de fer dans la charge du four 16 sont adaptées en fonction de l'acier au carbone AC à produire.
De manière connue en soi, la fusion et l'élaboration au four électrique s'accompagnent de la formation d'un laitier L2, contenant notamment la gangue de l'éponge de fer et les fondants basiques, que l'on extrait du four électrique.
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Les gaz chauds quittant le four électrique à très haute température (gaz 9) sont brûlés et servent à préchauffer les ferrailles. Lorsque leur quantité est insuffisante pour assurer le préchauffage souhaité, ils peuvent être mélangés avec un gaz d'appoint constitué par du gaz GG froid (gaz 8). Le mélange obtenu (gaz 11) est alors brûlé avec un gaz comburant (gaz 10) et le gaz résultant sert à préchauffer les ferrailles dans l'enceinte 15.
Le reste du gaz GG froid (gaz 6) peut ensuite être utilisé de toute manière appropriée, qui ne fait pas partie de la présente invention ; les fumées (gaz 12) sortant de l'enceinte 15 sont épurées et rejetées à l'atmosphère.
La Fig. 2 est largement identique à la Fig. 1. Elle illustre la même installation de mise en oeuvre du procédé de l'invention, sur laquelle sont indiquées des valeurs exprimant un bilan de matières pour la fabrication d'une tonne d'acier liquide.
L'exemple illustré ici porte sur la fabrication d'une tonne d'acier AC contenant 0,05 % de carbone, pour lequel le degré d'impureté des ferrailles et la qualité du produit souhaité nécessitent l'addition d'environ 35 % de fer "vierge", c'est-à-dire de fer exempt d'éléments indésirables.
Dans le réacteur 13 contenant un bain de fonte liquide, on charge 158 kg
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de charbon sec CS et 8 kg de castine CaO, et on insuffle 97 m3N d'oxygène industriellement pur, avec un appoint de 17 m3N de vapeur d'eau surchauf- fée à 250 C. La dissolution et la combustion du charbon donnent lieu à la production de 1 kg de fonte F, provenant du fer contenu dans le charbon, et de 25 kg de laitier Ll, que l'on évacue par des moyens connus.
On produit ainsi 323 m3N de gaz réducteur GR à 1500 OC, contenant 69,85 % de CO, 29,53 % de H2, et 0,62 % de N2 (gaz 1). Le gaz réducteur GR peut également contenir de faibles quantités de CO2 et de H2O ; pour simplifier, on n'en a cependant pas tenu compte dans le présent exemple.
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On ajuste la température et la composition du gaz réducteur, de préférence en le mélangeant avec du gaz GG recyclé et traité (gaz 7) provenant du four de réduction 14. Le mélange obtenu (gaz 2), soit 532 m3N, présente une température de 950 OC et contient 62,28 % de CO, 32,49 % de H2 et 1,23 % de M. Il est introduit dans le four de réduction 14, qui contient une charge de 542 kg de pellets de minerai de fer MF, contenant 1,5 % d'humidité.
Dans le four de réduction 14, on produit d'une part 397 kg d'éponge de fer chaude EF et 528 m3N de gaz GG (gaz 3). L'éponge de fer EF se trouve à une température de 950 OC et contient 355 kg de fer. Elle est destinée à être chargée dans le four à arc électrique 16.
Le gaz GG présente une température de 480 *C et contient 29,31 % de Cl,,, 13,40 % de HO, 34,82 % de CO, 21,23 % de H et 1,24 % de N.
Dans le refroidisseur 17, sa température est ramenée à 25 OC, de façon à éliminer la majeure partie de la vapeur d'eau qu'il contient, soit 70 m3N.
Dans l'enceinte 18, une partie du gaz GG refroidi, soit 316 m3N, subit une décarbonatation, de façon à éliminer la majeure partie du CO qu'il contient, soit environ 107 m3N. Comme on l'a indiqué plus haut, le gaz résultant, soit 209 m3N à 25 *C, (gaz 7) est mélangé au gaz réducteur GR pour être recyclé dans le four de réduction 14.
Dans l'enceinte 15, on charge 650 kg de ferrailles à recycler FR, qui se trouvent initialement à la température ambiante, soit 25*C.
Les ferrailles FR sont préchauffées dans l'enceinte 15 jusqu'à une température de 600. C. Elles sont ensuite chargées dans le four à arc électrique 16, où elles sont fondues par des arcs consommant une énergie de 420 kWh. Dans le four à arc 16, on charge également 17 kg de CaO et on insuffle 9 m3N de ou. on peut également injecter un combustible solide ou gazeux, tel que du charbon ou du gaz naturel, dans le four électrique ;
le présent exemple n'envisage pas de telles additions, de façon à simplifier l'exposé.
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Les ferrailles et l'éponge de fer sont chargées de préférence simultanément dans le four à arc électrique 16, dans des proportions qui tiennent compte du poids et de la composition des ferrailles, de la composition de l'éponge de fer ainsi que de la qualité de l'acier visé.
Les gaz chauds quittant le four électrique 16 (gaz 9), soit 17 m3N, se trouvent à une température de 1675 *C et contiennent sensiblement 10 % de CO2 et 90 % de CO, ainsi que des quantités négligeables de H2O, de H2 et de N2. Ils sont mélangés avec 9 m3N de gaz GG refroidi (gaz 8), et le mélange obtenu (gaz 11) est brûlé avec 81 m3N d'air à 25 *C (gaz 10) pour préchauffer les ferrailles. En pratique, la combustion est réalisée dans un brûleur 19 dont est équipée l'enceinte 15.
Le gaz quittant l'enceinte 15 (gaz 12), à savoir 97 m3N à 450 *C, ainsi que le reste du gaz GG refroidi, soit 133 m3N à 25 *C (gaz 6), sont récupérés en vue d'une utilisation ultérieure.
Dans les conditions précitées, le four à arc électrique 16 produit 1 tonne d'acier AC à 0,05 % C, à une température de 1650 C, ainsi que 52 kg de laitier L2, qui contient notamment la gangue de l'éponge de fer, les fondants basiques ainsi qu'une certaine quantité d'éléments d'alliage provenant des ferrailles.
Le tableau 1 rassemble les caractéristiques des différents gaz, à savoir les températures, les compositions ainsi que les volumes spécifiques rapportés respectivement à la tonne de fer présent dans l'éponge de fer et à la tonne d'acier.
Pour réduire au minimum les besoins en énergie du processus, on utilise au maximum la chaleur sensible des ferrailles et de l'éponge de fer, qui sont dès lors enfournées respectivement à au moins 600*C et à au moins 800. C et de préférence à 950 - 1000. C.
La présente invention offre un moyen simple et économique de produire un acier de masse de bonne qualité, à partir de ferrailles de toutes provenances, même riches en éléments d'alliage. A cet égard, elle présente une plus grande souplesse d'exploitation que la seconde voie de fabrication
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d'acier évoquée dans l'introduction de la présente demande.
Par rapport à la première voie de fabrication d'acier, également rappelée plus haut, l'invention permet d'une part d'utiliser de façon optimale l'énergie consommée, en réduisant sensiblement de moitié la quantité d'énergie utilisée pour fabriquer une tonne d'acier, et d'autre part d'assurer une meilleure protection de l'environnement, en rejetant environ trois à quatre fois moins de CO2 par tonne d'acier produite.
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Tableau 1-Caractéristiques des qaz
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<tb> Ne <SEP> Volume <SEP> Volume <SEP> T <SEP> Analyse <SEP> (%)
<tb> m3N/t <SEP> m3N/t <SEP> ( C)
<tb> Fe(EF) <SEP> acier <SEP> H2O <SEP> CO2 <SEP> CO <SEP> H2 <SEP> O2 <SEP> N2
<tb> 1 <SEP> 910 <SEP> 323 <SEP> 1500 <SEP> - <SEP> - <SEP> 69,85 <SEP> 29,53 <SEP> - <SEP> 0,62
<tb> 2 <SEP> 1500 <SEP> 532 <SEP> 950 <SEP> - <SEP> - <SEP> 62, <SEP> 28 <SEP> 32, <SEP> 49-1, <SEP> 23
<tb> 3 <SEP> 1490 <SEP> 528 <SEP> 480 <SEP> 13,40 <SEP> 29,31 <SEP> 34,82 <SEP> 21, <SEP> 23-1, <SEP> 24
<tb> 4 <SEP> 1290 <SEP> 458 <SEP> 25 <SEP> - <SEP> 33,84 <SEP> 40,21 <SEP> 24, <SEP> 51-1, <SEP> 44
<tb> 5 <SEP> 892 <SEP> 316 <SEP> 25-33, <SEP> 84 <SEP> 40,21 <SEP> 24, <SEP> 51-1, <SEP> 44
<tb> 6 <SEP> 398 <SEP> 133 <SEP> 25-33, <SEP> 84 <SEP> 40,21 <SEP> 24, <SEP> 51-1,
<SEP> 44
<tb> 7 <SEP> 590 <SEP> 209 <SEP> 25 <SEP> - <SEP> - <SEP> 60, <SEP> 78 <SEP> 37, <SEP> 05-2, <SEP> 17
<tb> 8-9 <SEP> 25-33, <SEP> 84 <SEP> 40,21 <SEP> 24, <SEP> 51-1, <SEP> 44
<tb> 9-17 <SEP> 1675-10, <SEP> 00 <SEP> 90, <SEP> 00
<tb> 10 <SEP> - <SEP> 81 <SEP> 25 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 21 <SEP> 79
<tb> 11 <SEP> - <SEP> 26 <SEP> 1081 <SEP> - <SEP> 18, <SEP> 60 <SEP> 72,01 <SEP> 8, <SEP> 88 <SEP> - <SEP> 0, <SEP> 51
<tb> 12 <SEP> - <SEP> 97 <SEP> 450 <SEP> 2,42 <SEP> 24, <SEP> 64 <SEP> - <SEP> - <SEP> 6, <SEP> 60 <SEP> 66,34
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