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Procédé de fusion de minerais, en particulier de minerai de fer, en mélange avec des additions ou en briquettes.
On a déjà proposé de fondre des minerais de fer mélangés avec du combustible solide et des additions, ou des briquettes en ces matières au haut-fourneau de la manière qu'une partie importante de la chaleur de réduction et de fusion nécessaire est introduite dans ce haut-fourneau sous la forme d'un mélange de gaz chaud, qui a été produit dans une chambre de combustion placée en avant du haut-fourneau par combustion complète d'un combustible quelconque avec de l'oxygène froid ou réchauffé en excès ou avec de l'air enri- chi en oxygène en présence de vapeur d'eau, et qui est cons- titué par de l'acide carbonique, de la vapeur d'eau, un excès d'oxygène et le cas échéant un peu d'azote.
Dans ce procédé connu, les gaz introduits se transforment avec le carbone in-
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candescent de la charge de telle manière que l'oxygène libre forme avec une partie du carbone de la charge de l'oxyde de carbone, la vapeur d'eau est réduite en hydrogène et l'acide carbonique est réduit totalement ou partiellement en oxyde de carbone.
On a maintenant trouvé que ce procédé connu peut être perfectionné dans une mesure importante en déterminant et réglant la composition du mélange gazeux à introduire à de hautes températures (1000 à 20000C) dans le haut-fourneau par rapport à la quantité du carbone de la charge de façon que dans le haut-fourneau l'oxygène libre produise la com- bustion d'une partie du carbone de la charge en formant de l'oxyde de carbone, que la vapeur d'eau se transforme avec la partie résiduelle du carbone tout au moins partiellement en hydrogène et oxyde de carbone, mais que par contre l'acide carbonique introduit dans le haut-fourneau traverse celui-ci en restant essentiellement inchangé et en cédant une fraction considérable de sa chaleur sensible.
Cette invention est basée sur la constatation que l'on peut utiliser la diversité des tendances réactionnelles des processus qui se déroulent dans le haut-fourneau après l'introduction du mélange de gaz chaud composé de O2, vapeur de H2O et CO2
C + 0 = CO + 29 160 kcal 1)
C + H20 = CO + H2 - 28 880 kcal 2)
C + C02 = 2CO - 38 880 kcal 3) pour exercer une action particulièrement meilleure sur ces processus mêmes et par là également sur tous les autres pro- cessus dépendant d'eux dans le haut-fourneau (le C indiqué dans les équations est le carbone dit fixe, introduit d'en haut, ou combustible secondaire).
@ La réaction 1) est exotherme, tandis que les réac-
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tions 2) et 3) sont endothermes. La quantité de chaleur se produisant dans la réaction exotherme 1) seule ne suffirait pas pour couvrir la chaleur nécessaire à la fusion de la charge et à la réduction de l'oxyde de fer, ainsi que la dépense de chaleur de la réaction endotherme 2) ou même aus- si encore celle de la réaction également endotherme 3); les quantités de chaleur amen,ées -au haut-fourneau par le mélan- ge gazeux fortement chauffé couvrent ce besoin supplémen- taire de quantités de chaleur.
La question de savoir si et dans.quelle mesure la réaction 2) et la réaction 3) s'effectuent aussi à coté de la réaction 1) dépend de la quantité de l'02 libre amené d'en bas, en supposant qu'une quantité déterminée de C soit chargée d'en haut dans le haut-fourneau. En effet, dans cha- que cas, plus il est consommé de C pour la réaction 1), donc moins il reste de C pour les réactions 2) et 3), d'au- tant moins de H2O et de C02 subit une transformation.
Par conséquent, dansun cas limite théorique dans lequel le C fixe total de la charge est consommé pour la réaction 1) (c'est-à-dire qu'il est amené d'en bas autant de O2 libre qu'il est nécessaire pour la transformation de la quantité totale du C fixe en CO), il n'y a plus de C fixe pour les réactions 2) et 3), de sorte que ces dernières réactions ne peuvent pas s'effectuer. Si ce cas se produit, les H2O et CO2 traversent le haut-fourneau en restant inchangés et en cédant leur chaleur sensible. Dans l'autre cas théorique limite par contre, la quantité totale des H2O et C02 intro- duits d'en bas est transformée. Il y a entre ces cas limi- tes d'innombrables possibilités.
Conformément à l'invention, par le réglage des constituants du mélange gazeux à intro- duire d'en bas, on est maintenant complètement en mesure de régler le fonctionnement du haut-fourneau dans chaque cas
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selon les nécessités en ce qui concerne le minerai à trai- ter, la consommation de chaleur du traitement, la températu- re maxima nécessaire dans le haut-fourneau, la composition désirée des gaz du gueulard, etc... pour obtenir le mode opératoire optimum dans chaque cas.
On a constaté que le plus rationnel est, pour le cas de réglage, de conduire le processus dans le haut-four- neau par un réglage approprié de l'excès de 02 par rapport à la quantité de C fixe de telle manière qu'il se produire à côté de la réaction 1) tout au plus la réaction 2), mais que la réaction 3) par contre ne se manifeste plus du tout.
Ceci signifie que le C02 total traverse le haut-fourneau en restant inchangé et sert uniquement de véhicule de chaleur, tandis que par contre le H2O est décomposé totalement ou partiellement selon la réaction 2). Ces effets des mesures ou opérations proposées conformément à l'invention sont possibles parce que tout d'abord la combustion du carbone de la charge en CO se produit, puis ensuite seulement se place la décomposition de H2O, qui s'effectue endothermi- quement, et après cela seulement se place la décomposition du CO2, également endothermique, mais présentant une consom- mation de chaleur supérieure à la décomposition de H2O.
On explique encore ce qui suit pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention:
Pour la combustion d'une molécule, donc 12 kg. de C, pour donner une molécule de CO, 1/2 molécule, donc 11,2 m3 de O2, est nécessaire. Cette quantité de O2 est fournie par le mélange gazeux amené au haut-fourneau, qui est cons- , titué par 02, H20 et CO2, conformément .au tableau suivant: x/2 m3 02 -
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11,2 M3 0 2 y m H0 mélange de gaz 2 z m3 CO
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La question de savoir si cette quantité de 02 n'est fournie que par la teneur libre en O2 du mélange, ou aussi par le O2 combiné du H2O ou du H2O et du O2, dépend uniquement de la composition du mélange gazeux.
Le fonctionnement peut donc effectivement être dirigé sans plus par un réglage ap- proprié des diverses quantités contenues dans le mélange de gaz de combustion amené au haut-fourneau, ou des diverses quantités desmatières introduites dans la chambre de com- bustion disposée devant le haut-fourneau, et, en fait, du combustible primaire, de l'oxygène et de la vapeur d'eau, par rapport au carbone fixe chargé par en haut (combustible secondaire), de telle façon qu'il ne soit consommé pour la combustion du carbone fixe dans le haut-fourneau, parmi les constituants du mélange gazeux amené, qu'uniquement l'oxy- gène libre et 3..'oxygène combiné de la vapeur d'eau, ce der- nier partiellement ou totalement, l'acide carbonique intro- duit ne participant pas par contre à la combustion.
Le procédé conforme à l'invention présente, vis- à-vis du procédé exposé au début et des autres procédés con- nus, avant tout l'avantage que de ce fait la consommation de coke du haut-fourneau par tonne de fer brut peut être considérablement diminuée. Ceci s'explique sans plus d'une manière évidente du fait qu'il n'est pas consommé de coke pour la décomposition de l'acide carbonique introduit, alors que ceci représente autrement une partie importante de la consommation de coke. Sans doute, la valeur de chauffe des gaz de gueulard est un peu diminuée par l'acide carbonique non décomposé, mais cette perte est aussi compensée par d'- autres avantages.
La quantité des gaz de gueulard produits diminue en effet dans une mesure trèsconsidérable, ce qui réduit les dimensions du haut-fourneau, du conduit à gaz de gueulard et du reste de l'appareillage; ceci a pour consé-
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quence une nouvelle réduction des frais d'installation et d'exploitation.
Un avantage qu'il ne faut pas sous-estimer du pro- cédé conforme à l'invention consiste en ce que de ce fait le passage à travers le haut-fourneau est augmenté dans une mesure considérable, parce que la durée de passage n'est que de deux à trois heures, alors que même dans les hauts-fourneaux à travail rapide on n'obtenait jusqu'ici que des durées de passage de sept à dix heures. Cet avantage est aussi très favorable en ce sens que la capacité du haut-fourneau devient beaucoup plus grande.
Le procédé apporte en outre les avantages suivants:
Le H2O en excès introduit dans l'ouvrage produit une action transformatrice sur la teneur en CO du gaz de gueulard. Etant donné en outre que les gaz qui s'élèvent dans le fourneau à cuve contiennent de la vapeur de H2O, il se produit aussi une transformation correspondant aux con- centrations dans la zone de la moitié supérieure de la cuve, notamment dans la zone d'environ 500 C. Cette transformation s'effectue exothermiquement, de sorte que des quantités de chaleur qui permettent une réduction de la charge de coke deviennent libres.
On signale en outre l'action catalytique excellen- te de la vapeur de H2O et du dans la réduction indirecte du minerai par du CO.
On obtient de plus une désulfuration du coke par la présence de H2O et de H2 dans le fourneau à cuve, étant donné que le soufre est évacué partiellement avec les gaz =qui s'échappent. Des expériences ont montré que les gaz de gueu- lard contiennent sous la forme volatile jusqu'à 40 % du sou- fre du coke. Si l'on considère que le procédé permet d'obte- nir sans cela des économies de coke de la charge qui se si-
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tuent entre 40 et 50 % et que de ce fait aussi des quantités de soufre inférieures de façon correspondante; sont appor- tées dans le fourneau à cuve, cette désulfuration constitue un perfectionnement extrêmement important vis-à-vis des ex- ploitations généralement usuelles des hauts-fourneaux.
Pour cette raison,le procédé convient aussi par- ticulièrement bien précisément pour la fusion acide et pour la fusion de minerais-pauvres. Il économise des quantités considérables des produits de désulfuration, tels que soude, bauxite,etc..., qui sont .autrement nécessaires à la désul- furation du fer brut dans la fusion acide.
On réalise aussi avec le nouveau procédé une éco- nomie de chaux, parce qu'en raison de la suppression prati- quement de la moitié de la quantité de coke, il n'est aussi amené dans le haut-fourneau que seulement la moitié de la quantité de soufre et la moitié de la quantité de cendre de coke; or, cette dernière consommerait de la chaux à cause de sa teneur en siO2.
Des formes de réalisation particulièrement avan- tageuses du nouveau procédé sont obtenues lorsqu'on intro- duit dans une ou plusieurs zones supérieures du fourneau à cuve des quantités de chaleur supplément-aires par des gaz de combustion,qui ont été produits dans une ou plusieurs chan- bres de combustion supplémentaires placées en avant de telle manière que leur température corresponde essentiellement à la température du fourneau qui règne ou est nécessaire au point d'introduction ou dépasse cette température.
On obtient de ce fait un bon réchauffage et une - bonne préparation de la charge qui descend et également de ce fait une économie correspondante du coke de la charge. En particulier, cette amenée de quantités de chaleur supplémen- taires dans la partie supérieure du fourneau à cuve permet
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l'utilisation de CaCO également pour le cas de la fusion de minerais pauvres sans augmenter le besoin de coke de la charge.
Les avantages du procédé selon l'invention sont encore exposés à titre d'exemple dans ce qui suit à l'aide de quelques données comparatives. Toutes choses étant égales d'ailleurs, on obtient les données suivantes pour la consom- mation de matière et pour les gaz de gueulard par tonne de fer brut :
I) avec le procédé usuel et
II) avec le procédé conforme à l'invention :
1 II Minerai (minerai de fer oxydé) 2260 tonnes 2260 tonnes Coke ......................... 0980 tonnes 0541 tonnes Quantité de gaz de gueulard... 4100 m3 1700 m3 Valeur de chauffe des gaz de gueulard ..................... 1023 unités 945 unités de de chaleurau m' chaleur au m3
Les 1700 m3 de gaz de gueulard de 945 unités de chaleur au m3 produits suffisent comme gaz primaire pour la mise en oeuvre du procédé et donnent encore des quantités de chaleur résiduelles qui suffisent à la production de la vapeur d'eau nécessaire .au procédé. Ce procédé peut donc être appliqué sous forme de procédé continu autonome.
Dans la. mise en oeuvre du procédé selon l'inven- tion, il faut déterminer par le calcul quelle quantité de 02, H2O et C02 il faut introduire avec le mélange de gaz de combustion d'en bas par kg.de C du combustible solide char- gé par en haut, afin que :
1 ) - le C fixe soit brûlé en donnant du CO;
2 ) - le H2O soit partiellement ou totalement dé- composé, et
3 ) - le CO2 reste inchangée c'est-à-dire qu'il
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n'y ait pas de C fixe pour la réduction du CO2.
En se faisant, il faut naturellement prendre soin également que l'on dispose dansle haut-fourneau de quanti- tés de chaleur appropriées pour pouvoir maintenir les tem- pératures nécessaires dans les diverses zones et il faut en conséquence déterminer la température à laquelle lemélange de gaz de combustion doit être introduit.
Mais il peut parfois arriver que la quantité rela- tivement faible des gaz de gueulard qui s'élèvent dans le haut-fourneau ne suffise pas pour maintenir la température nécessaire dans les diverses zones supérieures du haut- fourneau, puis chauffer et dégazer la charge (minerai et additions). Dans ces cas, il peut être avantageux, comme on l'a déjà dit, d'introduire dans une ou plusieurs zones supé- rieures du fourneau des gaz de combustion supplémentaires, qui ont été produits dans une ou plusieurs chambres de com- bustion supplémentaires placées en avant, de telle manière que leur température corresponde essentiellement à la ten- pérature du fourneau qui règne ou est nécessaire au point d' introduction ou dépasse cette température.
La quantité des gaz qui s'élèvent en introduisant des quantités de chaleur supplémentaire est augmentée par ces gaz de combustion sup- plémentaires, ce qui peut contribuer à l'exécution sûre et régulière du procédé conformeà l'invention.
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Process for smelting ores, in particular iron ore, mixed with additives or in briquettes.
It has already been proposed to smelt iron ores mixed with solid fuel and additions, or briquettes of these materials in the blast furnace so that a significant part of the heat of reduction and smelting required is introduced into this. blast furnace in the form of a hot gas mixture, which has been produced in a combustion chamber placed in front of the blast furnace by complete combustion of any fuel with excess cold or reheated oxygen or with air enriched with oxygen in the presence of water vapor, and which is constituted by carbonic acid, water vapor, an excess of oxygen and, where appropriate, a little nitrogen.
In this known process, the gases introduced are transformed with the infused carbon.
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candescent of the charge in such a way that free oxygen forms with part of the carbon of the charge carbon monoxide, the water vapor is reduced to hydrogen and the carbonic acid is totally or partially reduced to carbon dioxide carbon.
It has now been found that this known process can be improved to a great extent by determining and adjusting the composition of the gas mixture to be introduced at high temperatures (1000 to 20000C) into the blast furnace with respect to the amount of carbon in the feed. so that in the blast furnace the free oxygen produces the combustion of part of the carbon of the charge, forming carbon monoxide, that the water vapor is transformed with the residual part of the carbon while at least partially in hydrogen and carbon monoxide, but on the other hand the carbonic acid introduced into the blast furnace passes through the latter, remaining essentially unchanged and giving up a considerable fraction of its sensible heat.
This invention is based on the finding that one can utilize the variety of reaction trends of the processes taking place in the blast furnace after the introduction of the hot gas mixture composed of O2, H2O vapor and CO2.
C + 0 = CO + 29,160 kcal 1)
C + H20 = CO + H2 - 28,880 kcal 2)
C + C02 = 2CO - 38 880 kcal 3) to exert a particularly better action on these very processes and thus also on all the other processes dependent on them in the blast furnace (the C indicated in the equations is the so-called fixed carbon, introduced from above, or secondary fuel).
@ Reaction 1) is exothermic, while the reactions
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tions 2) and 3) are endothermic. The amount of heat occurring in the exothermic reaction 1) alone would not be sufficient to cover the heat required for the charge to melt and the reduction of iron oxide, as well as the heat expenditure of the endothermic reaction 2) or even also that of the also endothermic reaction 3); the amounts of heat supplied to the blast furnace by the strongly heated gas mixture cover this additional requirement for the amounts of heat.
Whether and to what extent reaction 2) and reaction 3) also take place alongside reaction 1) depends on the amount of free O2 supplied from below, assuming that a determined amount of C is loaded from above into the blast furnace. In fact, in each case, the more C is consumed for reaction 1), therefore the less C remains for reactions 2) and 3), so much less H2O and CO2 undergoes a transformation. .
Therefore, in a theoretical borderline case in which the total fixed C of the feed is consumed for reaction 1) (i.e., as much free O2 is supplied from below as is required for transformation of the total amount of fixed C into CO), there is no longer any fixed C for reactions 2) and 3), so that these latter reactions cannot be carried out. If this happens, the H2O and CO2 pass through the blast furnace, remaining unchanged and releasing their sensible heat. In the other limiting theoretical case, on the other hand, the total quantity of H2O and C02 introduced from below is transformed. Between these limited cases there are countless possibilities.
According to the invention, by adjusting the constituents of the gas mixture to be introduced from below, it is now completely possible to regulate the operation of the blast furnace in each case.
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according to the needs with regard to the ore to be treated, the heat consumption of the treatment, the maximum temperature necessary in the blast furnace, the desired composition of the top gases, etc ... to obtain the operating mode optimum in each case.
It has been found that the most rational is, for the case of adjustment, to conduct the process in the blast furnace by an appropriate adjustment of the excess of O 2 with respect to the quantity of fixed C in such a way that it occur next to reaction 1) at most reaction 2), but reaction 3) on the other hand no longer occurs at all.
This means that the total CO 2 passes through the blast furnace while remaining unchanged and serves only as a heat vehicle, while on the other hand the H2O is completely or partially decomposed according to reaction 2). These effects of the measures or operations proposed in accordance with the invention are possible because first of all the combustion of the carbon from the CO load occurs, and only then does the decomposition of H2O take place, which takes place endothermically, and only after that takes place the decomposition of CO2, also endothermic, but having a higher heat consumption than the decomposition of H2O.
The following is further explained in order to better understand the object of the invention:
For the combustion of a molecule, therefore 12 kg. of C, to give a molecule of CO, 1/2 molecule, so 11.2 m3 of O2, is necessary. This quantity of O2 is supplied by the gas mixture supplied to the blast furnace, which consists of 02, H20 and CO2, in accordance with the following table: x / 2 m3 02 -
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11.2 M3 0 2 y m H0 gas mixture 2 z m3 CO
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Whether this amount of O2 is supplied only by the free O2 content of the mixture, or also by the O2 combined with H2O or H2O and O2, depends only on the composition of the gas mixture.
Operation can therefore effectively be controlled without further ado by an appropriate adjustment of the various quantities contained in the mixture of combustion gases supplied to the blast furnace, or of the various quantities of materials introduced into the combustion chamber placed in front of the blast furnace. furnace, and, in fact, primary fuel, oxygen and water vapor, relative to the fixed carbon loaded from above (secondary fuel), so that it is not consumed for combustion of the fixed carbon in the blast furnace, among the constituents of the gas mixture supplied, only free oxygen and 3 .. combined oxygen of the water vapor, the latter partially or totally, the acid carbonic acid does not take part in combustion.
The process according to the invention has, over the process described at the beginning and other known processes, above all the advantage that the consumption of coke from the blast furnace per tonne of crude iron can therefore be be considerably diminished. This is explained without more than one obvious way from the fact that no coke is consumed for the decomposition of the carbonic acid introduced, whereas this otherwise represents a significant part of the coke consumption. Doubtless, the heating value of the top gases is somewhat reduced by the undecomposed carbonic acid, but this loss is also compensated for by other advantages.
The quantity of top gases produced in fact decreases to a very considerable extent, which reduces the dimensions of the blast furnace, of the top gas pipe and of the rest of the equipment; this has for consequence
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This leads to a further reduction in installation and operating costs.
An advantage which should not be underestimated of the process according to the invention is that the passage through the blast furnace is thereby increased to a considerable extent, because the passage time is not is only two to three hours, whereas even in fast-working blast furnaces one has hitherto only obtained passage times of seven to ten hours. This advantage is also very favorable in that the capacity of the blast furnace becomes much larger.
The process also provides the following advantages:
The excess H2O introduced into the structure produces a transforming action on the CO content of the top gas. Since, moreover, the gases which rise in the shaft furnace contain H2O vapor, there also occurs a transformation corresponding to the concentrations in the zone of the upper half of the vessel, in particular in the zone of the vessel. about 500 ° C. This transformation takes place exothermically, so that quantities of heat which allow a reduction in the coke load become free.
In addition, the excellent catalytic action of the H2O vapor and in the indirect reduction of the ore by CO is reported.
In addition, desulfurization of the coke is obtained by the presence of H2O and H2 in the shaft furnace, since the sulfur is partially discharged with the gases which escape. Experiments have shown that the top gases contain in the volatile form up to 40% of the sulfur in coke. Considering that the process otherwise achieves coke savings from the feed which occurs.
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kill between 40 and 50% and that therefore also correspondingly lower amounts of sulfur; are introduced into the shaft furnace, this desulphurization constitutes an extremely important improvement vis-à-vis the generally usual blast furnace operations.
For this reason, the process is also particularly suitable for acid smelting and for the smelting of poor ores. It saves considerable amounts of the desulphurization products, such as soda, bauxite, etc., which are otherwise necessary for the desulphurization of crude iron in the acid smelting.
The new process also saves lime, because due to the elimination of almost half the quantity of coke, only half of the quantity of coke is also supplied to the blast furnace. the amount of sulfur and half the amount of coke ash; however, the latter would consume lime because of its siO2 content.
Particularly advantageous embodiments of the new process are obtained by introducing into one or more upper zones of the shaft furnace additional amounts of heat by combustion gases, which have been produced in one or more. Additional combustion chan- nels placed forward in such a way that their temperature essentially corresponds to the temperature of the furnace which prevails or is necessary at the point of introduction or exceeds this temperature.
This results in good reheating and good preparation of the descending charge and therefore also a corresponding saving in the coke of the charge. In particular, this supply of additional quantities of heat to the upper part of the shaft furnace allows
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the use of CaCO also for the case of smelting poor ores without increasing the coke requirement of the feed.
The advantages of the method according to the invention are further explained by way of example in what follows using some comparative data. All other things being equal, we obtain the following data for the material consumption and for the top gases per tonne of crude iron:
I) with the usual process and
II) with the process according to the invention:
1 II Ore (oxidized iron ore) 2260 tonnes 2260 tonnes Coke ......................... 0980 tonnes 0541 tonnes Quantity of top gas .. . 4100 m3 1700 m3 Heating value of top gases ..................... 1023 units 945 units of heat to heat per m3
The 1700 m 3 of top gas of 945 heat units per m 3 produced are sufficient as primary gas for the implementation of the process and still give quantities of residual heat which are sufficient for the production of the water vapor necessary for the process. This process can therefore be applied as an autonomous continuous process.
In the. implementation of the process according to the invention, it is necessary to determine by calculation what quantity of 02, H2O and C02 to be introduced with the mixture of combustion gases from below per kg. of C of the solid fuel char- ge from above, so that:
1) - the fixed C is burned giving CO;
2) - H2O is partially or totally decomposed, and
3) - CO2 remains unchanged, i.e. it
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there is no fixed C for CO2 reduction.
In doing so, care must of course also be taken that the appropriate quantities of heat are available in the blast furnace to be able to maintain the necessary temperatures in the various zones and it is therefore necessary to determine the temperature at which the mixture of the mixture. combustion gas must be introduced.
But it can sometimes happen that the relatively small quantity of top gases which rise in the blast furnace is not sufficient to maintain the necessary temperature in the various upper zones of the blast furnace, then heat and degas the charge ( ore and additions). In these cases, it may be advantageous, as already mentioned, to introduce into one or more upper zones of the furnace additional combustion gases, which have been produced in one or more additional combustion chambers. placed forward in such a way that their temperature essentially corresponds to the temperature of the furnace which prevails or is necessary at the point of introduction or exceeds this temperature.
The amount of the gases which rise by introducing additional amounts of heat is increased by these additional combustion gases, which can contribute to the safe and regular performance of the process according to the invention.