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Dispositif pour la fabrication d'une éponge de fer à basse teneur en soufre.
La présente invention concerne un dispositif pour la fabrication d'une éponge de fer à basse 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.
On peut également envisager d'utiliser d'autres sources de fer, telles que les poussières ou les boues recueillies dans les aciéries, les hauts-fourneaux ou les installations d'agglomération des minerais.
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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Le présent demandeur a récemment proposé des procédés de fabrication d'une éponge de fer à basse teneur en soufre, dans lesquels une charge comprenant d'une part des oxydes de fer finement divisés, éventuellement sous forme de pellets, et d'autre part un mélange d'un agent réducteur carboné solide, de quelque nature ou origine que ce soit, et d'un agent désulfurant, est soumise à une opération de réduction sur une sole mobile.
On peut rappeler ici le principe de ces procédés, qui sont basés sur la gazéification, au sein même de la charge, de l'agent réducteur carboné solide.
De façon connue en soi, la gazéification de l'agent réducteur carboné solide requiert un chauffage à une température élevée, de l'ordre d'au moins 800 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 qui produisent notamment le CO2 nécessaire au démarrage de la réaction de Boudouard :
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Dans les propositions considérées, le CO résultant de ladite gazéification se répand par diffusion à l'intérieur de la charge où il assure la réduction desdits oxydes de fer par les réactions :
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Le C02 ainsi produit diffuse à son tour dans la charge et revient au contact de l'agent carboné, où chaque mole de CO2 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 la charge pour y réduire un oxyde de fer, tandis que l'autre mole de CO s'échappe de la charge et brûle en C0, contribuant ainsi au chauffage nécessaire à la gazéification de l'agent réducteur carboné solide. Simultanément, l'agent désulfurant réagit directement avec le soufre libéré par l'agent
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réducteur carboné solide pour former des composés stables du soufre qui ne s'intègrent pas à l'éponge de fer.
La présente invention a pour obj de proposer in dispositif spécifique pour la mise en oeuvre de procédés de réduction de cette nature.
On connaît déjà, notamment par le brevet US-A-4.701. 214, un four à sole tournante destiné à effectuer une préréduction de pellets composés d'un mélange d'oxydes de fer et d'un combustible carboné finement divisés. Ce four comporte essentiellement un tunnel annulaire dans lequel se déplace une sole tournante chargée d'une couche de pellets ; il est divisé en trois zones successives dites de séchage/dévolatilisation, de chauffage et de réduction, qui sont parcourues dans cet ordre par les pellets. Des gaz réducteurs provenant d'une cuve de fusion réductrice qui suit le four sont introduits dans le tunnel et le parcourent en sens inverse des pellets. Ces gaz sont brûlés au début de la zone de réduction et dans la zone de chauffage, par adduction d'air préchauffé dans ces zones.
Un tel four n'est cependant pas en mesure de produire une éponge de fer à basse teneur en soufre car les pellets sont en contact direct avec les gaz réducteurs contenant du soufre, qui résultent de la gazéification du combustible carboné contenu dans les pellets. De plus, il doit être associé à une cuve de fusion réductrice dans laquelle on fond les pellets pré-réduits et on opère la désulfuration du fer à l'état fondu.
Conformément à la présente invention, un dispositif pour la fabrication d'une éponge de fer à basse teneur en soufre, qui comprend un four tunnel annulaire divisé en au moins deux zones successives et une sole tournante qui traverse successivement lesdites zones, ladite sole tournante présentant une plage destinée à recevoir une charge de matières, est caractérisé en ce que la dernière desdites zones, dite zone de réduction, est divisée, sur au moins une partie de sa longueur circonférentielle, en au moins deux compartiments longitudinaux au moyen d'une paroi longitudinale au moins sensiblement verticale, en ce que ladite plage de la sole tournante destinée à recevoir une charge de matières est située dans un desdits compartiments longitudinaux, en ce que, dans la partie de sa longueur divisée en au moins deux compartiments,
ladite dernière zone est pourvue
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de tubes de chauffage disposés au-dessus de ladite sole tournante et qui, venant de l'extérieur du four, traversent successivement le compartiment contenant ladite plage de la sole tournante destinée à recevoir une charge de matières et débouchent dans l'autre compartiment, et en ce que lesdits tubes de chauffage sont pourvus de brûleurs à leur extrémité située à l'extérieur du four.
Suivant une forme de réalisation particulière, la dernière desdites zones est divisée, sur au moins une partie de sa longueur circonférentielle, en trois compartiments longitudinaux au moyen de deux parois longitudinales au moins sensiblement verticales, lesdits compartiments longitudinaux comprennent un compartiment central compris entre lesdites deux parois sensiblement verticales et deux compartiments latéraux situés de part et d'autre dudit compartiment central et délimités respectivement par une desdites deux parois sensiblement verticales et par une paroi latérale du four tunnel, ladite plage de la sole tournante destinée à recevoir une charge de matières est située dans ledit compartiment central, ladite dernière zone est, dans la partie de sa longueur divisée en trois compartiments,
pourvue de tubes de chauffage disposés au-dessus de ladite sole tournante et qui, venant de l'extérieur du four, traversent successivement un compartiment latéral et le compartiment central et débouchent dans le compartiment latéral opposé, et lesdits tubes de chauffage sont pourvus de brûleurs à leur extrémité située à l'extérieur du four.
Selon une caractéristique supplémentaire, lesdits tubes de chauffage sont disposés de façon à déboucher alternativement dans l'un et dans l'autre desdits compartiments latéraux de ladite dernière zone du four.
De façon connue en soi, ledit four tunnel est équipé de moyens pour déposer une charge de matières, éventuellement en couches superposées, sur ladite plage de la sole tournante, dans la région d'entrée de la première desdites zones du four. De même, le four comporte des moyens en soi connus pour décharger lesdites matières, de préférence sous une atmosphère protectrice, dans la région de sortie de ladite dernière zone du four.
Entre la zone d'introduction des matières et la zone de réduction, il est prévu une paroi de séparation, essentiellement radiale, qui s'étend
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verticalement depuis la voûte du four jusqu'à proximité de la surface supérieure de la sole du four, pour empêcher un transfert de gaz de l'une à l'autre des ces zones. Une paroi peut aussi être prévue entre l'avantdernière et la dernière zone du four ; une telle paroi doit alors être percée d'au moins un orifice de passage, pour permettre une circulation des gaz à contre-courant par rapport à la sole tournante.
Dans le dispositif de l'invention, la sole tournante est essentiellement constituée par un plateau annulaire qui occupe sensiblement toute la largeur du four tunnel dans lequel elle tourne. Le support et le guidage de ce plateau sont assurés par des galets roulant sur une voie ferrée circulaire, dont les rails sont fixés au sol à l'intérieur du four. Il est prévu que le plateau de la sole tournante se trouve à une hauteur relativement importante au-dessus du niveau de la voie ferrée, afin que celle-ci ne subisse pas un échauffement excessif en service.
De plus, les faces intérieures des parois extérieures du four sont pourvues de rigoles circonférentielles remplies d'un liquide dans lequel plongent des parois verticales suspendues aux bords extérieurs du plateau de la sole tournante. On forme ainsi des joints liquides qui assurent une étanchéité totale entre le volume intérieur du four tunnel proprement dit et les espaces situés sous la sole.
Le dispositif de l'invention sera maintenant exposé plus en détail à l'aide d'une forme de réalisation particulière, donnée à titre de simple exemple, dans laquelle le four est divisé en trois zones successives ; cette forme de réalisation est illustrée dans les dessins annexés, dans lesquels la Fig. 1 montre une vue en plan du four annulaire, avec indication des trois zones de fonctionnement successives ; la Fig. 2 est une coupe transversale à travers la troisième zone du four
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de la Fig. 1 ; la Fig. 3 est une coupe longitudinale développée à travers un fragment du four de la Fig. 1, montrant le passage de la deuxième à la troisième zone du four ;
et la Fig. 4 est une vue en plan, en coupe horizontale, du fragment de four représenté dans la Fig. 3.
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Les différentes figures constituent des représentations schématiques du dispositif de l'invention, dans lesquelles on n'a reproduit que les éléments nécessaires à la compréhension correcte de l'invention. Des éléments identiques sont désignés par les mêmes repères numériques dans toutes les figures.
La Fig. 1 est une vue en plan d'un four tunnel annulaire 1, divisé en trois zones I, II et III. Le four contient une sole tournante, non visible dans la Fig. 1, dont le sens de rotation est indiqué par la flèche 2. Les matières à traiter, à savoir les oxydes de fer, l'agent réducteur carboné solide et l'agent désulfurant, sont déposés sur la sole tournante au début de la zone I, par des moyens de chargement 3 bien connus dans la technique. Du fait de la rotation de la sole, les matières traversent successivement la zone I, qui est une zone de séchage, de préchauffage et de dévolatilisation sous une atmosphère oxydante, la zone II où elles subissent un chauffage et une préréduction sous une atmosphère partiellement réductrice et la zone III qui constitue la zone de réduction proprement dite, où règne une atmosphère réductrice.
A la fin du traitement de réduction, les matières sont déchargées par des moyens appropriés symbolisés par la flèche 4.
Les gaz dégagés dans les différentes zones circulent en sens contraire de la sole tournante, et ils sont finalement extraits du four par un dispositif approprié tel qu'un extracteur 5.
Dans la Fig. 1, on a également indiqué de manière schématique les brûleurs 21,22 équipant les différentes zones du four, ainsi que les compartiments 17,18, 19 formés dans la zone III. Ces éléments seront décrits en détail plus loin.
La Fig. 2 représente une coupe transversale, c. à. d. radiale, à travers la zone de réduction III du four 1, suivant la ligne A-A de la Fig. 1. Elle montre la section transversale du four tunnel annulaire 1, qui se compose essentiellement d'un corps 6 et d'une voûte 7. La sole tournante est constituée par un plateau 8, qui occupe pratiquement toute la largeur du corps 6 du four, et qui repose par des supports 9 et des galets 10 sur des rails 11, eux-mêmes fixés au socle du four. Les supports 9 peuvent être
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constitués par des voiles continus ou par des piliers placés à des intervalles déterminés ; leur hauteur est de préférence choisie de façon à éviter tout échauffement excessif des galets 10 et des rails 11 et les déformations de la voie qui pourraient en résulter.
La face intérieure des parois extérieures du corps du four sont munies de rigoles 12 continues, remplies d'un liquide, dans lesquelles plongent des parois verticales 13 suspendues aux bords extérieurs du plateau 8. Cette disposition assure une étanchéité parfaite entre les zones du four d'une part et l'espace situé sous la sole tournante d'autre part. Enfin, la surface supérieure du plateau 8 présente une plage centrale, délimitée latéralement par des murets 14, destinée à recevoir les matières à traiter dont la couche est indiquée en traits pointillés.
La structure décrite jusqu'ici est identique dans les trois zones du four.
Les zones 1 et II comportent des brûleurs installés dans la voûte 7 du four, de préférence suivant la ligne de faîte de celle-ci. Une telle disposition de brûleurs est connue en soi et ne nécessite dès lors pas de description détaillée. Ces brûleurs 21 sont schématisés dans la Fig. 1 et partiellement dans les Fig. 3 et 4.
La zone III présente par contre une structure particulière, qui permet d'opérer la réduction des oxydes de fer jusqu'à un taux de métallisation fort élevé.
La zone III du four est pourvue, sur la plus grande partie de sa longueur circonférentielle, de deux parois intérieures sensiblement verticales 15, 16 qui la divisent en trois compartiments longitudinaux 17,18, 19. Ces compartiments comprennent deux compartiments latéraux 17,19 délimités respectivement par une desdites parois verticales 15,16 et par une des parois latérales du corps, respectivement de la voûte, du four, ainsi qu'un compartiment central 18, situé entre les deux compartiments latéraux 17,19 et contenant la plage du plateau 8 destinée à recevoir la charge de matières.
Les parois verticales 15,16 s'étendent jusqu'à une faible distance de la surface supérieure du plateau 8, et elles sont de préférence placées à l'extérieur des murets 14.
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Cette zone III est équipée de tubes radiants 20 qui, venant de l'extérieur du four, traversent un compartiment latéral 17, respectivement 19, et le compartiment central 18, sans communiquer avec eux, et débouchent dans l'autre compartiment latéral 19, respectivement 17. Chacun de ces tubes radiants 20 est, à son extrémité située à l'extérieur du four, équipé d'un brûleur approprié 22.
Pour des raisons de symétrie, les tubes radiants 20 sont généralement disposés suivant des directions radiales du four. Ils sont en outre de préférence arrangés de façon à déboucher alternativement dans les deux compartiments latéraux 17,19 de la zone III du four.
Les tubes radiants 20 sont placés horizontalement à une hauteur relativement faible au-dessus du plateau 8 de la sole tournante, afin de favoriser le déroulement des réactions de réduction dans la charge.
La Fig. 3 montre une vue en coupe longitudinale, suivant la ligne B-B de la Fig. 2, illustrant la disposition des brûleurs de voûte 21 de la zone II, la paroi transversale 23 séparant la zone II et la zone III et la disposition des tubes radiants 20 dans la zone III, par rapport au plateau 8 de la sole tournante avec sa charge de matières.
Ces divers éléments se retrouvent dans la vue en plan, voûte enlevée, de la Fig. 4, où l'on peut voir la disposition alternée des tubes radiants 20 dans la zone III. On notera que la paroi transversale 23, de préférence perforée, est limitée à la largeur du compartiment central 18, de façon à ne pas empêcher l'écoulement des gaz dégagés dans les compartiments latéraux 17,19.
Ce dispositif fonctionne de la manière suivante.
La charge de matières est déposée sur la sole tournante au début de la zone I, à l'aide du dispositif de chargement 3. La charge est par exemple constituée de deux couches superposées, telles qu'une couche d'oxydes de fer et une couche d'un mélange de charbon fin et de castine. Du fait de la rotation de la sole dans le sens de la flèche 2, cette charge traverse successivement les zones 1, II et III, dans lesquelles elle est notamment chauffée progressivement par des gaz circulant en sens contraire.
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Sur le plan thermique, le four 1 constitue de ce fait un échangeur à contre-courant, et on a choisi de décrire les opérations en suivant la circulation des gaz de la zone III à la zone I, c. à. d. dans le sens opposé à la flèche 2.
Dans la zone III, illustrée en coupe dans la Fig. 2, le chauffage de la charge par les tubes radiants 20 dans le compartiment central 18 déclenche la gazéification du charbon et la réduction des oxydes de fer par les mécanismes qui ont été exposés plus haut. Ces réactions produisent un excédent de monoxyde de carbone (CO). Simultanément, les gaz de combustion chauds provenant des brûleurs extérieurs sont rejetés dans les compartiments latéraux, par exemple suivant les flèches 26 dans le compartiment latéral 17. Ces gaz de combustion chauds, ainsi que le (CO) excédentaire à travers les orifices de la paroi transversale 23, s'échappent vers la zone II ; cet écoulement des gaz est schématisé dans la Fig. 4 par les flèches 25 et 24 respectivement.
La combustion dans les brûleurs extérieurs 22 associés aux tubes radiants 20 est réglée de façon à se dérouler dans des conditions stoechiométriques. Le mélange de ces gaz de combustion et du CO excédentaire, généré tant dans le compartiment 18 de la zone III que dans la zone II elle-même, forme dans cette zone II une atmosphère réductrice.
La zone II est équipée de brûleurs de voûte 21, de préférence du type à flamme confinée, qui sont alimentés dans des proportions déterminées pour assurer la combustion quasi-stoechiométrique du CO présent dans l'atmosphère de cette zone. Dans cette zone II, le chauffage de la charge est donc effectué sous une atmosphère légèrement réductrice, qui peut déjà opérer un début de préréduction de certains oxydes de la charge.
Sous l'effet de l'aspiration exercée par l'extracteur 5, les gaz brûlés de la zone II s'écoulent vers la zone I. La zone 1 est également équipée de brûleurs de voûte, qui sont ici alimentés avec un excès d'air de façon à assurer la combustion totale du CO qui pourrait subsister dans les gaz venant de la zone II.
La combustion dans la zone 1 se déroule dès lors dans des conditions oxydantes, qui sont sans effet sur les oxydes de la
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charge, et elle assure le séchage, le préchauffage rapide et la dévolatilisation de cette charge.
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A la fin du processus de réduction, les matières réduites, à savoir d'une part l'éponge de fer et d'autre part les résidus du charbon fin et de la castine, en particulier les particules de sulfure de calcium, sortent du four 1 par le dispositif 4 et sont séparées par exemple par criblage, après un refroidissement éventuel.