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Procédé pour la fabrication d'une éponge de fer à basse teneur en soufre.
La présente invention concerne un procédé 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'oxyde de fer. Traditionnellement, l'oxyde de fer provient des minerais, où il est accompagné par diverses substances formant la gangue. A l'heure actuelle, une source intéressante d'oxyde de fer est également constituée par les oxydes superficiels recueillis à différents 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'oxyde 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 fours électriques d'aciérie. Jusqu'à présent, la charge métallique de ces engins est principalement constituée de ferrailles, avec un complément d'autres matières ferrifères, telles que la fonte solide ou liquide. 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.
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
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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 produite, tandis que d'autres procédés conduisent à des teneurs en soufre très élevées dans l'éponge de fer, inacceptables pour les aciéries électriques. Enfin, de nombreux procédés utilisent différents liants pour agglomérer, par exemple par pelletisation ou compactage, l'agent réducteur carboné et les oxydes de fer avant l'opération de réduction.
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 les importants investissements précités et il ne nécessite pas l'emploi de liants.
Conformément à la présente invention, un procédé pour la fabrication d'une éponge de fer à basse teneur en soufre, dans lequel on utilise un agent réducteur carboné solide, est caractérisé en ce que l'on dépose sur une soie mobile une couche de matière finement divisée constituée par un mélange d'oxydes de fer, d'agent réducteur carboné solide et d'agent désulfurant, en ce que l'on chauffe ladite couche de matière pour provoquer la gazéification au moins partielle 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 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 composés gazeux du soufre, et en ce que l'on sépare lesdits oxydes de fer réduits et les résidus dudit agent réducteur carboné solide et dudit agent désulfurant.
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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 900oC. 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 CO2 nécessaire au démarrage de la réaction de Boudouard :
EMI3.1
Dans la proposition qui fait l'objet de la présente invention, le CO résultant de ladite gazéification pénètre par diffusion dans les particules d'oxydes de fer où il assure la réduction desdits oxydes de fer par les réactions :
EMI3.2
Le CO2 ainsi produit dans les particules d'oxydes de fer diffuse à son tour vers les particules d'agent réducteur carboné solide, 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 particules d'oxydes de fer pour y réduire une molécule d'oxyde de fer, tandis que l'autre mole de CO s'échappe du mélange pour venir brûler au-dessus de la couche de matière, 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 ledit mélange ; 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 de fer utilisés.
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
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substances carbonées telles que le coke, le brai, le poussier de coke, le charbon de bois ou d'autres substances analogues.
Au cours de la gazéification dudit agent réducteur carboné solide, il se forme également des composés gazeux du soufre ; ceux-ci réagissent immédiatement avec un agent désulfurant approprié pour former des composés solides qui restent dans la couche de matière. Parmi les agents désulfurants utilisables, certains composés du calcium et notamment la chaux vive (CaO), la chaux hydratée (Ca[OH]2) et la castine (CaC03) sont particulièrement indiqués 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. En particulier, la chaux peut être utilisée sous la forme d'un lait de chaux imprégnant au moins une partie dudit agent réducteur carboné solide.
Suivant une caractéristique supplémentaire, on compacte ladite couche de matière finement divisée, afin d'améliorer le transfert de la chaleur au sein de ladite couche.
Ce compactage peut par exemple être effectué par un rouleau disposé au-dessus de la sole mobile, juste après le chargement des matières.
D'une manière connue en soi, la séparation desdites particules d'éponge de fer et des résidus dudit agent réducteur carboné solide et dudit agent désulfurant est ensuite effectuée par voie magnétique, après un refroidissement et un éventuel broyage du mélange.
L'éponge de fer ainsi obtenue, qui présente une faible teneur en soufre, peut être utilisée sans difficultés dans les fours à arc électrique d'aciérie.
Le procédé de l'invention sera à présent expliqué de manière plus détaillée, à titre de simple exemple, 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 charge déposée sur une sole tournante.
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Dans la Fig. 1, des matières finement divisées comprenant des oxydes de fer 1, du charbon fin 2 et de la castine 3 sont mélangées dans un mélangeur 4 et le mélange obtenu M est déposé en une couche 5 sur une sole tournante 6 disposée dans un four annulaire non autrement représenté. La structure uniforme de la couche 5 est montrée schématiquement dans la coupe transversale A-A représentée dans la Fig. 2.
Dans le four, la couche 5 est chauffée au moyen de brûleurs, également non représentés, jusqu'à une température suffisante pour opérer la gazéification au moins partielle du charbon fin 2. Il se produit alors au sein de la couche 5 un dégagement de CO qui, par le mécanisme rappelé plus haut, assure d'une part la réduction des oxydes présents dans la couche 5 et d'autre part le chauffage de cette couche 5. Simultanément, le chauffage de la couche 5 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, à savoir la castine 3, dispersé au sein de la couche 5, et le soufre est aussitôt fixé par l'agent désulfurant sous la forme de composés solides granulaires.
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 5. Lorsque la réduction des oxydes de fer et la désulfuration des composés gazeux du soufre sont terminées, la couche de matière présente sur la sole mobile comprend finalement les oxydes de fer réduits constituant l'éponge de fer et les résidus de l'agent réducteur carboné solide et de l'agent désulfurant ainsi que les composés solides du soufre résultant de ladite désulfuration. A la sortie du four précité, on abaisse la température de l'éponge de fer sous le point de Curie dans une étape de refroidissement 7, qui peut être suivie d'une étape de broyage 8, représentée en trait interrompu.
Enfin, il est prévu une étape de séparation magnétique 9 pour séparer les particules d'éponge de fer 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.
Le procédé de l'invention n'est pas limité à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit et illustré. Il comprend aussi les modifications qu'un homme du métier pourrait y apporter, en particulier en ce qui concerne le choix de l'agent désulfurant et de l'agent réducteur.