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Procédé pour produire du fer liquide à partir d'oxydes de fer.
Domaine de l'invention. La présente invention concerne un procédé pour produire du fer liquide à partir d'oxydes de fer, particulièrement d'application dans le cas d'une réduction directe de minerais de fer.
Etat de la technique.
La majeure partie des aciers vendus dans le monde sont élaborés à partir de fonte produite dans des hauts-fourneaux. Cette fonte est obtenue en soufflant des gaz réducteurs chauds à travers un lit poreux de matières ferrifères et de coke. Les matières ferrifères sont des oxydes de fer, essentiellement Fe203 et Fe304, et sont utilisées sous forme de minerai rocheux, d'aggloméré ou de pellet. Les gaz réducteurs chauds sont obtenus par la combustion du coke, ce dernier pouvant être partiellement remplacé par d'autres combustibles hydrocarbonés, ladite combustion s'effectuant au contact de l'air chaud injecté par des tuyères situées dans la partie inférieure du hautfourneau.
Le haut-fourneau est un réacteur dans lequel les gaz et les solides circulent à contrecourant. Les solides sont introduits au sommet du haut-fourneau et ils descendent lentement vers la partie inférieure de l'enceinte formant ledit haut-fourneau. Ces solides sont progressivement échauffés et réduits par les gaz réducteurs chauds qui circulent du bas vers le haut de l'enceinte.
On a aussi observé que tant que la température des solides est inférieure à environ 950 C, la réduction des oxydes de fer, successivement en Fe304, puis en FeO et partiellement en Fe, est totalement réalisée par les gaz, sans aucune consommation de coke, car le C02 présent est à une température insuffisante pour réagir significativement avec le carbone du coke.
Cependant, dès que la température des solides dépasse le niveau d'environ 950 C, la réduction des oxydes de fer, essentiellement réduction de FeO en Fe, se poursuit de la même façon, mais elle s'accompagne d'une réaction supplémentaire car le C02 réagit partiellement ou totalement avec le carbone du coke et génère ainsi du CO.
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Cette dernière réaction est relativement préjudiciable dans le bilan énergétique global, car elle est fortement endothermique et nécessite par conséquent la combustion de grandes quantités de coke aux tuyères.
Lorsque la température des solides atteint environ 1200 C, les matières ferrifères ramollissent et fondent, et si la réduction n'est pas complètement terminée, elle se poursuit essentiellement par réaction du FeO liquide avec le coke.
Après fusion et réduction complète des matières ferrifères, deux liquides se forment et se séparent, d'une part, la fonte qui est essentiellement constituée de fer et de carbone d'une teneur d'environ 4.5 % quand elle est extraite du creuset et, d'autre part, le laitier qui contient les matières minérales de la gangue généralement associée aux oxydes de fer ainsi que les cendres du coke et/ou des combustibles de substitution consommés. Ces deux phases liquides décantent dans le creuset du hautfourneau car leurs densités sont très différentes, respectivement 2,6 kg/dm3 pour le laitier et 6,7 kg/dm3 pour la fonte.
En cours de fonctionnement du haut-fourneau, la fonte et le laitier sont extraits périodiquement du creuset par un ou plusieurs trous de coulée prévus à cet effet.
Bien que le haut-fourneau soit un réacteur très performant, tant du point de vue chimique qu'énergétique, son bon fonctionnement requiert toutefois des quantités importantes de coke, environ 470 kg par tonne de fonte, lorsque tout l'agent réducteur est fourni uniquement sous forme de coke.
Or, il s'avère que la production de coke est coûteuse car d'une part, elle nécessite de gros investissements au niveau des installations, et d'autre part, elle engendre une importante pollution de l'environnement tant au niveau de l'atmosphère que de l'eau ce qui en augmente les frais d'exploitation.
Dès lors, la tendance actuelle des hauts-fournistes est de réduire leurs besoins en coke en injectant aux tuyères du haut-fourneau des matières de substitution telles que du charbon, du fuel-oil ou du gaz naturel. A l'heure actuelle, t'injection de charbon est particulièrement intéressante d'un point de vue économique mais les taux d'injection réalisables sur de longues périodes, en marche stable c'est-à-dire sans perturber les phénomènes de réduction et de fusion des matières ferrifères et en évitant une
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dégradation trop rapide de l'appareil, s'élèvent au maximum à environ 200 kg de charbon par tonne de fonte. Dans ces conditions, on doit constater que les besoins en coke s'élèvent encore à environ 300 kg par tonne de fonte.
Dans ce contexte de diminution de la consommation du coke, de nombreux procédés, dits de fusion réductrice, ont été imaginés pour produire de la fonte en évitant toute consommation de coke et en remplaçant ce dernier par du charbon.
On notera que tous les procédés précités, mettant en oeuvre des oxydes de fer qui peuvent être sous des formes diverses telles que du minerai fin, du minerai rocheux, des agglomérés, des pellets,... etc, se caractérisent par le fait que lesdits oxydes sont d'abord préchauffés et partiellement préréduits, puis fondus, avant de subir la réduction finale à l'état liquide.
Les opérations de préchauffage et de préréduction sont généralement réalisées dans un premier réacteur, tandis que les opérations de fusion et de réduction finale sont généralement réalisées dans un réacteur séparé.
Pour réaliser la réduction finale des oxydes de fer à l'état liquide, les procédés précités ont des besoins élevés en gaz réducteurs à haute température, ces derniers étant généralement obtenus en brûlant du charbon en présence d'oxygène froid.
Une remarque importante concerne les gaz réducteurs précités qui ne sont que partiellement valorisés lors du préchauffage et de la préréduction des matières ferrifères, les gaz excédentaires évacués par les différents procédés étant souvent difficilement valorisables, état de fait qui est préjudiciable à l'économie de ces procédés.
D'un autre point de vue, on constate qu'une part croissante des aciers actuellement commercialisés est directement élaborée dans des fours électriques c'est-à-dire sans passer par le stade intermédiaire de la fonte, lesdits fours électriques ayant été conçus à l'origine pour recycler des ferrailles c'est-à-dire du fer usagé.
L'opération réalisée dans le four électrique consiste uniquement en une fusion des ferrailles et n'implique aucune réaction de réduction, le fer recyclé étant déjà réduit et ne contenant que très peu d'oxydes.
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Les fours électriques ne consomment en principe ni coke ni charbon, car ils n'ont pas besoin d'agent réducteur et toute l'énergie nécessaire à la fusion des ferrailles est fournie sous forme électrique.
On notera cependant que les aciers produits dans les fours électriques sont généralement de moindre qualité car ils sont partiellement contaminés par des éléments résiduels tels que le zinc, l'étain, le cuivre, le nickel, le chrome,..., ces derniers provenant notamment d'aciers revêtus ou alliés.
Les aciers produits dans des fours électriques sont habituellement utilisés pour fabriquer des produits longs comme les ronds à beton, les poutrelles, les palplanches,..., produits pour lesquels on est moins exigeant au niveau de leur composition, mais on constate aussi une tendance des exploitants de fours électriques à produire des aciers de qualité c'est-à-dire à plus haute valeur ajoutée. Le manque de ferrailles"propres"les contraint à utiliser des quantités croissantes de fer"vierge", c'est-à-dire, non contaminé par des éléments résiduels, et la principale source de fer vierge est actuellement constituée par de l'éponge de fer, aussi appelée DRI (Direct Reduced Iron).
Le DRI en question est produit dans des installations dites de réduction directe qui se caractérisent toutes par le fait que les oxydes de fer y sont presque totalement réduits, c'est-à-dire que le taux de métallisation est d'au moins 92 %, et que cette réduction est obtenue sur des éléments qui restent à l'état solide. Les oxydes de fer, qui peuvent être présents sous des formes diverses telles que du minerai fin, du minerai rocheux, de l'aggloméré, des pellets,..., sont réduits à une température inférieure à 1000 C par des gaz réducteurs chauds générés à partir de gaz naturel ou de charbon. Avant d'être manipulable à l'air libre, le DRI doit impérativement être refroidi sous une atmosphère inerte ne contenant absolument pas d'oxygène, sous peine de voir le fer se réoxyder fortement.
Lorsque le DRI alimente un four électrique situé à côté de l'installation de réduction directe, il est possible de réaliser une économie d'énergie en ne refroidissant pas le DRI et en le chargeant chaud dans le four électrique après l'avoir transporté sous une atmosphère inerte.
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Présentation de l'invention La présente invention a pour objet de proposer un procédé pour produire du fer métallique liquide à partir d'oxydes de fer en réalisant dans un seul et même réacteur deux opérations successives, à savoir, tout d'abord, la réduction complète des oxydes de fer à l'état solide, et ensuite la fusion des matières ferrifères précédemment réduites.
Conformément à la présente invention, un procédé pour produire du fer liquide à partir d'une charge constituée totalement ou partiellement par des oxydes de fer, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte un réacteur formé par une enceinte qui comprend au moins deux zones, une zone dite de réduction et une autre zone dite de fusion, disposées l'une par rapport à l'autre de manière telle que la matière introduite dans la zone de réduction a tendance à descendre sous l'effet de la gravité vers la zone de fusion ;
en ce qu'on introduit la charge précitée contenant des oxydes de fer dans la partie supérieure de la zone de réduction, préférentiellement, les oxydes de fer sont sous la forme de minerai rocheux, d'aggloméré ou de pellets, ou d'un mélange des formes précitées et sont introduits au sommet de la zone de réduction du réacteur où ils forment un lit granulaire qui descend progressivement dans le réacteur ; en ce qu'on introduit dans la zone de fusion des gaz chauds réducteurs dont la température est supérieure à 1450 C ;
en ce qu'on réalise le contact entre les matières présentes dans la zone de réduction et des gaz réducteurs chauds issus de la zone de fusion de telle sorte que les matières solides situées dans la zone de réduction y soient chauffées à une température comprise entre 6000C et 1050 C et qu'au moins plus de 90 % de l'oxygène présent initialement dans les oxydes de fer contenus dans ces matières, les plus fréquents étant Fe203 et Fe304, mais des formes plus complexes existent également, soit réduit par les gaz réducteurs, ce qui donne naissance successivement à du Fe304, puis du FeO et finalement du Fe métallique tout en restant à l'état solide, comme cela est le cas dans les procédés classiques de réduction directe ;
en ce que les matières précitées, issues de la zone de réduction, descendent, de préférence uniquement sous l'effet de la gravité, dans la zone de fusion du réacteur ; en ce que ces matières précitées y sont mises en contact avec des gaz réducteurs dont la température est supérieure à 14500C qui sont introduits dans cette zone de fusion et qui la parcourent de bas en haut de manière
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à provoquer la fusion de ces matières précitées au contact de ces gaz très chauds et donner naissance à deux phases liquides, l'une étant essentiellement constituée de fer métallique liquide et l'autre contenant principalement les matières minérales de la gangue généralement associée aux oxydes de fer,
les deux phases liquides atteignant des températures supérieures à 1400 C et se séparant dans le bas du réacteur car leurs densités sont très différentes, lesdites phases liquides étant extraites en continu ou séquentiellement par des moyens appropriés tels des syphons ou des trous de coulée, et en ce qu'on capte au sommet du réacteur des gaz dits gaz de gueulard.
Suivant une modalité de mise en oeuvre du procédé de la présente invention, on produit les gaz réducteurs chauds introduits dans la zone de fusion en brûlant un combustible hydrocarboné avec une quantité contrôlée d'oxygène technique, ladite quantité d'oxygène étant variable en fonction de la composition chimique du combustible brûlé ;
préférentiellement ledit combustible comprenant au moins un élément choisi parmi du charbon, du gaz naturel, du fuel, des huiles usagées ou des matières plastiques et ce, seul ou sous forme d'une association des différentes formes précitées, en une quelconque proportion, Suivant une modalité de mise en oeuvre préférentielle du procédé de la présente invention, la quantité de charbon brûlée est de 320 kg (à 20% près) par tonne de fer liquide produit et la quantité d'oxygène technique utilisée est de 0.7 Nm3 (à 20% près) par kg de charbon.
Suivant une autre modalité de mise en oeuvre préférentielle du procédé de la présente invention, on remplace, en partie ou totalement, l'oxygène technique utilisé pour produire les gaz réducteurs chauds nécessaires à la fusion des matières ferrifères dans la partie inférieure du réacteur par de l'air, froid ou préchauffé, enrichi en oxygène.
Suivant une autre modalité de mise en oeuvre du procédé de la présente invention, on introduit dans la zone de fusion des gaz réducteurs constitués essentiellement de CO et de H2 et portés à une température comprise entre 1500 C et 2400 C, de préférence la quantité desdits gaz introduite est en volume d'au maximum 800 Nm3 par tonne de fer liquide.
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La combustion contrôlée précitée pour former des gaz réducteurs met en oeuvre un combustible, qui est souvent du charbon, en présence d'oxygène et est réalisée à l'aide de moyens connus, tels que des brûleurs oxy-charbon ou des tuyères pourvues de cannes d'injection. L'oxygène technique utilisé est relativement pur, c'est-à-dire qu'il contient peu d'azote, éventuellement quelques pourcents.
Suivant encore une autre modalité de mise en oeuvre du procédé de la présente invention, on introduit dans le bas de la zone de réduction un supplément de gaz réducteur porté à une température comprise entre 700 C et 1200 C, de préférence ledit gaz réducteur précité répond à une au moins des conditions suivantes, à savoir que le volume introduit est au minimum de 500 Nm3 par tonne de fer liquide, que ledit gaz réducteur est constitué de CO et de H2, en proportions volumétriques telles que CO + H2 est supérieur à 80 %, et qu'il est porté à une température comprise entre 850 C et 1000 C.
La modalité précédente s'explique par le fait que les gaz réducteurs quittent la zone de fusion après avoir cédé une partie de leur chaleur sensible pour assurer la fusion des matières ferrifères et ne sont donc plus qu'à une température comprise entre 900 et 1200 C quand ils pénètrent dans le bas de la zone de réduction pour assurer tant l'échauffement que la réduction des matières ferrifères.
Comme la quantité de gaz réducteurs nécessaires pour assurer l'échauffement et la réduction des matières ferrifères dans la zone de réduction est d'environ 1300 Nm3 par tonne de fer liquide, la quantité de gaz issu de la zone de fusion, qui est au maximum de 800 Nm3 par tonne de fer liquide, est insuffisante pour mener l'opération à bien et cela explique l'introduction de gaz réducteur supplémentaire au bas de la zone de réduction en question. Ce gaz injecté se mélange donc au gaz réducteur provenant de la zone de fusion pour assurer l'échauffement et la réduction des matières ferrifères dans la zone de réduction, le CO se transformant partiellement en C02 et l'hydrogène partiellement en H20 en captant l'oxygène des oxydes de fer.
On constate en outre que les gaz qui sortent du lit de matières solides au sommet du réacteur sont à une température comprise entre 100 et 400 C, appauvris en CO et en H2 et enrichis en C02 et H20 via l'oxygène initialement lié aux oxydes de fer. Ces gaz en question, appelés gaz de gueulard, sont en général extraits en continu du
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réacteur et, après un éventuel dépoussiérage, par voie sèche ou humide, au cours duquel ils peuvent déjà perdre une partie de leur eau, ils sont soumis à différentes opérations destinées à les valoriser.
Suivant une modalité de mise en oeuvre préférentielle du procédé de la présente invention, on soumet au moins une partie des gaz de gueulard, de préférence de l'ordre de 1000 Nm3 à (20 % près) par tonne de fer liquide produit, à un premier traitement afin d'enlever, par exemple par condensation, la vapeur d'eau qu'ils contiennent encore ; ensuite, on soumet ces gaz à un deuxième traitement au cours duquel la majeure partie du C02 qu'ils contiennent est enlevée, par exemple par une opération de décarbonatation ; finalement, on réchauffe ces gaz, de préférence par voie indirecte dans un échangeur de chaleur approprié, afin d'amener leur température entre 700 OC et 1200 C, préférentiellement entre 850 C et 1000 C ;
on recyle ensuite lesdits gaz dans le bas de la zone de réduction où ils constituent l'appoint de gaz réducteur supplémentaire mentionné précédemment pour permettre la réduction des oxydes de fer.
Suivant une autre modalité de mise en oeuvre préférentielle du procédé de la présente invention, on utilise une partie des gaz de gueulard, de préférence à l'état brut de captage, pour générer par combustion avec de l'air des fumées chaudes qui sont utilisées pour réchauffer, éventuellement dans l'échangeur de chaleur mentionné cidessus, des gaz de gueulard, éventuellement épurés, c'est-à-dire ayant subi au moins une des opérations suivantes, un enlèvement de poussières ou d'eau ou de C02, qui sont recyclés par introduction à un quelconque niveau du procédé de l'invention nécessitant des gaz chauds.
Suivant encore une autre modalité de mise en oeuvre préférentielle du procédé de la présente invention, on prélève une partie des gaz de gueulard et, de préférence après dépoussiérage et élimination totale ou partielle de l'eau, on réinjecte ceux-ci dans la partie supérieure de la zone de réduction.
Les gaz ainsi réinjectés sont considérés comme froids, leur température étant inférieure à 100 C, et servent à refroidir les gaz issus du sommet du réacteur.
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Suivant une modalité de mise en oeuvre du procédé de la présente invention, on charge une quantité de coke inférieure à 120 kg par tonne de fer liquide, de préférence inférieure à 70 kg par tonne de fer liquide, au sommet du réacteur, éventuellement en mélange avec des matières ferrifères.
Le coke chargé au sommet du réacteur descend dans la zone de réduction où il subit simplement un échauffement sans être consommé car, la température dans cette zone étant toujours inférieure à 1000 0 C, le C02 présent dans les gaz réducteurs ne réagit pas significativement avec le carbone du coke, ensuite ce coke chaud pénètre dans la zone de fusion où il poursuit son échauffement au contact des gaz réducteurs générés dans le bas du réacteur ; les matières ferrifères traversant la zone de fusion ne contiennent plus d'oxydes de fer, dès lors, le CO contenu dans les gaz ne se transforme pas en C02, ce qui fait que le coke n'est pas gazéifié.
En fin de parcours, le coke non consommé forme dès lors dans le bas du réacteur une grille perméable qui facilite grandement tant le ruissellement des liquides que l'ascension des gaz réducteurs chauds dans un contexte d'écoulement à contrecourant. Ce coke est alors essentiellement consommé par la carburation de la phase liquide riche en fer avec laquelle il est en contact, ainsi que par la réduction de Si02, MnO et P205 en Si, Mn et P se dissolvant dans cette phase liquide. Les matières minérales associées au coke consommé sont incorporées au laitier formé par les matières minérales associées aux oxydes de fer.
Suivant une modalité de mise en oeuvre préférentielle du procédé de la présente invention, on introduit dans le réacteur une charge ferrifère constituée de pellets crus, c'est-à-dire non cuits.
Cette modalité d'utiliser des pellets crus présente l'avantage d'un gain énergétique car ces derniers sont obtenus en pelletisant à froid, selon une procédure connue en soi, un mélange de minerai de fer fin, ou d'autres oxydes de fer sous forme de fines, et d'un liant tel que la bentonite. Ces pellets crus sont déposés à la surface du lit de matières solides dans la zone de réduction où ils sont progressivement cuits au contact des gaz chauds ascendants. Ils acquièrent ainsi une bonne résistance
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mécanique qui leur permet de supporter sans déformation majeure le poids de la colonne de solide qui les surmonte progressivement. Cette variante permet d'économiser les frais habituellement liés à la cuisson des pellets.
Suivant une autre modalité de mise en oeuvre préférentielle du procédé de la présente invention, on introduit dans le réacteur une charge ferrifère constituée, en tout ou en partie, de résidus métallurgiques, ceux-ci étant sous forme de pellets, agglomérés ou briquettes, seuls ou dans un mélange des différentes formes précitées, en une quelconque proportion.
Suivant encore une autre modalité de mise en oeuvre préférentielle du procédé de la présente invention, on introduit dans le réacteur une charge ferrifère constituée, en tout ou en partie, d'éponge de fer.
Cette modalité permet d'accroître la teneur en fer métallique dans la charge ferrifère et de ce fait de diminuer les besoins en gaz réducteur et donc par conséquent les besoins en charbon pour produire ledit gaz réducteur. Cela a pour ultime conséquence d'accroître la productivité du réacteur car les espaces libres dans le lit de matières doivent être traversés par des quantités moindres de gaz. La rentabilité du procédé est donc ainsi accrue.
Suivant encore une autre modalité de mise en oeuvre préférentielle du procédé de la présente invention, on introduit dans le réacteur une charge ferrifère constituée, en tout ou en partie, de ferrailles ou fer usagé recyclé.
L'introduction de ferrailles permet d'accroître la teneur en fer métallique dans la charge ferrifère tout en réduisant la teneur en gangue. En conséquence, non seulement les besoins en gaz réducteur et donc les besoins en charbon sont diminués mais on obtient aussi une production de laitier plus faible. Cela a pour ultime conséquence d'accroître la productivité du réacteur car les espaces libres dans le lit de matières doivent être traversés par des quantités moindres tant de liquide que de gaz. La rentabilité du procédé est ainsi encore accrue.
Suivant une autre modalité de mise en oeuvre du procédé de la présente invention, on
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optimise la composition et la viscosité des deux phases liquides formées dans la zone de fusion en incorporant à la charge ferrifère des matières appropriées, de préférence des fondants ou des additifs de correction ajoutés en faible quantité.
Principaux avantages du procédé.
Dans sa variante de base, ce nouveau procédé présente plusieurs avantages majeurs : - les besoins en coke sont nuls ; - les besoins en charbon sont minimisés à une quantité de l'ordre de 320 kg par tonne de fer liquide ; - la productivité du réacteur est accrue car les débits de gaz et de liquides, rapportés à la tonne de fer liquide, qui doivent circuler dans les interstices du lit de matières, sont minimisés, a savoir : a) les débits de gaz, rapportés à la tonne de fer liquide, qui traversent respectivement les zones de fusion et de réduction sont minimisés du fait que la combustion du charbon en bas du réacteur est réalisée par de l'oxygène et non de l'air ce qui implique la quasi absence d'azote ;
b) le débit de gaz, rapporté à la tonne de fer liquide, qui traverse la zone de fusion est minimal car il doit uniquement assurer la fusion des matières ferrifères ; c) le débit de gaz, rapporté à la tonne de fer liquide, qui traverse la zone de réduction est minimal car le gaz tel que mis en oeuvre présente un potentiel réducteur très élevé ;
- la quantité de gaz du gueulard excédentaire, c'est-à-dire non utilisée dans le procédé de la présente invention, souvent difficile à valoriser, est très faible d'une part du fait du recyclage opéré au bas de la zone de réduction d'une grande partie du gaz sortant du réacteur, éventuellement après épuration et réchauffage, et d'autre part éventuellement du fait de l'utilisation d'un prélèvement dudit gaz en tant que combustible afin de fournir de la chaleur au réchauffeur décrit dans le procédé de l'invention ; - la composition chimique des matières ferrifères n'est pas critique car celles-ci sont réduites avant d'être fondues ; on n'est dès lors pas confronté au problème résultant du ramollissement de la fayalite (2FeO.
Si02), composé très peu réductible qui se forme lorsque du FeO subsiste en présence de Si02 à environ
1170 C ;
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enfin, comme déjà dit, les matières ferrifères sont réduites avant d'être fondues, dès lors la quantité de FeO liquide en contact avec les parois réfractaires du réacteur est minimale ce qui diminue fortement la dégradation de ces parois ; enfin, vis-à-vis du procédé classique mettant en oeuvre le haut-fourneau, on notera l'absence de cowpers ou générateurs d'air chaud.