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Procédé de fabrication d'une éponge de fer à faible teneur en soufre.
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une éponge de fer à faible teneur en soufre.
Au sens de la présente invention, une éponge de fer est une matière ferreuse obtenue par une opération de réduction, dite directe, à partir d'oxydes de fer. Traditionnellement, les oxydes de fer proviennent des minerais, où ils sont accompagnés par diverses substances indésirables formant la gangue. Actuellement, une source intéressante d'oxydes de fer est également constituée par les oxydes superficiels recueillis à divers stades des processus de fabrication sidérurgiques, tels que les pailles de laminoirs et les boues de décapage. Cette catégorie d'oxydes ne comporte pas de gangue, mais elle est fréquemment chargée d'impuretés telles que des résidus d'huiles ou de graisses.
La description qui suit fera référence au terme général d'oxydes de fer ; ce terme englobe ici aussi bien les minerais de fer habituels que les oxydes provenant des processus sidérurgiques, soit séparément soit sous forme de mélanges en proportions quelconques.
L'éponge de fer suscite actuellement un intérêt croissant, en particulier en vue de son utilisation dans les convertisseurs et surtout dans les fours électriques d'aciérie. Jusqu'à présent, la charge métallique de ces engins est principalement constituée de ferrailles, qui complètent la charge de fonte liquide habituelle. On constate cependant que la qualité de ces ferrailles a tendance à se dégrader, notamment en raison de leur teneur en éléments d'alliages qui peuvent être indésirables pour les aciers envisagés. Par ailleurs, le prix des ferrailles varie dans des proportions parfois considérables, en fonction non seulement de leur qualité mais aussi de leur disponibilité, ce qui peut compromettre l'approvisionnement des aciéries électriques en particulier.
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On connaît dans la technique de nombreux procédés de fabrication d'éponge de fer. Ces procédés sont basés sur l'utilisation d'un agent réducteur qui est en général soit gazeux soit solide. Le procédé de l'invention appartient à la catégorie des procédés basés sur l'utilisation d'un agent réducteur solide, qui est essentiellement un agent carboné et tout particulièrement du charbon finement divisé.
Les procédés connus dans ce domaine sont mis en oeuvre dans des fours de types divers tels que des fours à cuve, des fours à lit fluidisé ou des fours tournants, qui peuvent nécessiter des investissements importants et entraîner des frais de fonctionnement élevés. De plus, les procédés actuellement connus souffrent d'au moins un inconvénient sérieux ; certains de ces procédés requièrent une consommation de charbon très élevée, de l'ordre de 700 kg de charbon par tonne d'éponge de fer, tandis que d'autres procédés conduisent à des teneurs en soufre très élevées dans l'éponge de fer, inacceptables pour les aciéries électriques.
Par le brevet US-A-4.701. 214 notamment, on connaît déjà un procédé de fabrication d'éponge de fer, dans lequel des pellets composés d'oxydes de fer finement divisés et d'un combustible carboné granulaire sont chauffés dans un four annulaire à sole tournante où ils sont réduits par une partie du CO dégagé par le charbon et cuits ensuite par la chaleur résultant de la combustion du CO excédentaire. L'éponge de fer produite par ce procédé présente cependant une teneur en soufre élevée qui ne permet pas l'utilisation économique de cette éponge de fer dans un four électrique.
La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'une éponge de fer, qui est basé sur l'utilisation économiquement acceptable d'un agent réducteur carboné solide et qui permet en même temps de limiter la teneur en soufre à un niveau compatible avec la marche du four à arc électrique d'aciérie. En outre, ce procédé ne requiert pas d'investissements importants et il permet une production continue d'éponge de fer.
Conformément à la présente invention, un procédé de fabrication d'une éponge de fer à faible teneur en soufre, dans lequel on utilise un agent réducteur carboné solide, est caractérisé en ce que l'on forme des pellets à partir d'une matière finement divisée contenant essentiellement des
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oxydes de fer, en ce que l'on prépare un mélange granulaire constitué dudit agent réducteur carboné solide et d'un agent désulfurant, en ce que l'on dépose sur une sole mobile une couche dudit mélange granulaire d'agent réducteur carboné solide et d'agent désulfurant et contenant en outre des pellets desdits oxydes de fer, en ce que l'on chauffe ladite couche pour provoquer la gazéification d'au moins une partie dudit agent réducteur carboné solide, ce qui provoque le dégagement de composés gazeux du carbone et du soufre,
en ce que l'on effectue la réduction desdits pellets d'oxydes de fer au moyen d'au moins une partie du monoxyde de carbone (CO) contenu dans lesdits composés gazeux du carbone, en ce que l'on fixe, au moyen dudit agent désulfurant, au moins une partie du soufre desdits composants gazeux du soufre, et en ce que l'on sépare lesdits pellets réduits et la couche granulaire contenant les résidus dudit agent réducteur carboné solide et dudit agent désulfurant.
Au sens de la présente demande, le terme "pellets" utilisé ici désigne non seulement des pellets proprement dits, c. à. d. des corps sensiblement sphériques obtenus par bouletage, mais également tout corps de forme quelconque réalisé à partir d'une matière finement divisée et obtenu par briquetage, par compactage, par granulation ou par toute autre opération analogue. Ces pellets sont avantageusement déposés en une monocouche avec la couche de matière granulaire sur ladite sole mobile.
De façon connue en soi, la gazéification de l'agent réducteur carboné solide requiert un chauffage à haute température, de l'ordre d'au moins 900 C. Ce chauffage est conduit de telle façon que les composés gazeux du carbone contiennent essentiellement du monoxyde de carbone (CO), qui est un gaz très réducteur. Le chauffage nécessaire à cette gazéification est avantageusement assuré par des brûleurs, de préférence installés dans la voûte du four contenant la sole mobile, qui produisent notamment le CO nécessaire au démarrage de la réaction de Boudouard :
C + CO- > 2 CO.
Dans la proposition qui fait l'objet de la présente invention, le CO résultant de ladite gazéification pénètre par diffusion à l'intérieur des pellets où il assure la réduction desdits oxydes de fer par les réactions :
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EMI4.1
Le CO ainsi produit diffuse à son tour vers l'extérieur des pellets et revient dans la couche de charbon, où chaque mole de CO donne à nouveau naissance à deux moles de CO par la réaction de Boudouard rappelée plus haut.
Une de ces deux moles de CO revient par diffusion dans les pellets pour y réduire un oxyde de fer, tandis que l'autre mole de CO s'échappe de la couche contenant l'agent réducteur carboné solide pour venir brûler au-dessus de cette couche, contribuant ainsi au chauffage nécessaire à la gazéification de l'agent réducteur carboné solide.
Pour que les deux fonctions précitées de réduction et de chauffage puissent être assurées de manière satisfaisante, il convient que l'agent réducteur carboné solide soit présent en quantité suffisante dans la couche précitée ; dans le cas du charbon fin, cette quantité est de préférence comprise entre 250 et 500 kg de carbone par tonne d'éponge de fer produite, selon la teneur en fer des oxydes constituant les pellets.
A cet égard, il va de soi que l'agent réducteur carboné solide utilisable dans le cadre du présent procédé n'est pas limité au charbon fin, mais qu'il comprend également d'autres substances carbonées telles que le coke, le poussier de coke, le charbon de bois, le brai ou d'autres substances analogues.
Le soufre présent dans lesdits composés gazeux du soufre peut être fixé au moyen de tout agent désulfurant capable d'agir dans les conditions de l'opération.
Selon une mise en oeuvre particulière, on fixe au moins une partie du soufre desdits composés gazeux du soufre au moyen d'un agent désulfurant solide. Parmi les agents désulfurants utilisables, certains composés du calcium et notamment la chaux (CaO) et la castine (CaC03) sont particulièrement indiquées en raison d'une part de leur efficacité à réagir avec les composés gazeux pour former des composés solides et d'autre part de leur caractère économique.
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Dans ces conditions, la couche présente sur la sole mobile comprend finalement des pellets réduits, constituant une éponge de fer pratiquement pur, répartis, de préférence en une monocouche, dans la matière granulaire composée par les cendres de l'agent réducteur carboné solide et les composés solides du soufre, en particulier des sulfures et des sulfates de calcium.
D'une manière connue en soi, ce mélange est ensuite criblé, puis le résidu granulaire est éventuellement soumis à une séparation magnétique pour récupérer les particules de fer qui pourraient avoir été entraînées.
L'éponge de fer, éventuellement refroidie, qui présente une faible teneur en soufre est utilisable sans difficultés dans les fours à arc électrique d'aciérie.
Suivant une caractéristique supplémentaire, lesdits oxydes de fer peuvent être additionnés d'un liant, par exemple la bentonite, avant d'être pelletisés, puis les pellets peuvent être séchés avant d'être déposés sur la sole avec ladite couche. Celle-ci est ainsi constituée de pellets d'oxydes de fer et de liant, noyés dans la matière granulaire comprenant l'agent réducteur carboné solide et l'agent désulfurant. Le reste du procédé est identique à celui qui a été décrit plus haut.
Le procédé de l'invention sera expliqué de manière plus détaillée dans la description qui suit, où il est fait référence aux dessins annexés, dans lesquels la Fig. 1 illustre schématiquement les opérations constituant une variante particulière du procédé de l'invention ; et la Fig. 2 représente une coupe transversale à travers la couche de matières déposée sur une sole tournante.
Dans la variante illustrée dans la Fig. 1, des oxydes de fer finement divisés 1 et un liant 2 sont introduits dans un premier mélangeur 3 ; les oxydes ainsi préparés sont pelletisés en 4, puis les pellets P sont séchés en 5. Parallèlement, un mélange M constitué de charbon fin 6 et de castine 7 est formé dans un second mélangeur 8. Les pellets P d'une part et le
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mélange M, à l'état granulaire, d'autre part sont déposés en une couche mixte 9 sur une sole tournante 10 disposée dans un four annulaire 11. La couche 9 est ainsi constituée du mélange M de charbon fin et de castine, dans laquelle sont noyés des pellets P d'oxydes de fer, de préférence en une monocouche.
La structure de la couche 9 est montrée schématiquement dans la coupe transversale A-A représentée dans la Fig. 2, où l'on peut voir les pellets P répartis en une monocouche dans le mélange M. Dans le four 11, la couche mixte 9 est chauffée au moyen de brûleurs, non représentés, jusqu'à une température suffisante pour opérer la gazéification au moins partielle du charbon fin. Il se produit alors au sein de la couche mixte 9 un dégagement de CO qui, par le mécanisme rappelé plus haut, assure d'une part la réduction des oxydes de fer et d'autre part le chauffage de la couche mixte 9. Simultanément, le chauffage de la couche mixte 9 donne lieu à un dégagement de composés gazeux du soufre, provenant du charbon.
Ces composés gazeux sont immédiatement mis en contact avec l'agent désulfurant 7, à savoir la castine, dispersé au sein de la couche mixte 9, et le soufre est aussitôt fixé par l'agent désulfurant sous la forme de composés solides granulaires, par exemple CaS. La présence de castine permet de fixer d'autant mieux le soufre des composés gazeux du soufre que la castine est plus finement répartie dans la couche mixte 9. Une étape de criblage 12 est prévue à la sortie du four 11 pour séparer les pellets d'éponge de fer P et les résidus granulaires R comprenant notamment les cendres de l'agent réducteur carboné solide et les composés solides du soufre, tels que le sulfure CaS. Les pellets P sont ensuite envoyés à un refroidisseur 13, d'où l'on soutire, en continu, une éponge de fer Fe à faible teneur en soufre.