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" Procédé et appareillage pour la 'production de métal spongieux Il.
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La présente invention est relative à un procédé et à un appareillage pour la réduction sèche de minerais, à l'ai- de d'un agent de réduction 'solide, sans frittage ou concré- tion , en particulier pour la production de fer spongieux, Les efforts déployés pour trouver des méthodes techniques basées sur le principe énoncé ci-avant se sont heurtés, jusqu'à présent, à de grandes difficultés, étant donné qu'il n'a pas'.été possible de fournir la chaleur nécessaire pour l'exécution du procédé fortement endothermique, à une vi- tesse suffisante pour qu'-il n'y ait aucun risque de concré- tion ou de frittage du métal spongieux ou de collage de celui-ci aux parois du four de réduction, si l'on doit uti- liser des récipients ou fours de réduction de capacité rai- sonnable .
Le four de type le plus courant pour exécuter le procé- dé de réduction susindiqué est le four rotatif, dans lequel le mélange minerai-carbone est chargé de manière continue et simultanément chauffé jusqu'à la température de réaction.
Grâce à la rotation du four, le mélange est constamment en mouvement, ce qui réalise une répartition uniforme de la chaleur, condition nécessaire pour empêcher les surchauf- fes locales et l'agglomération de la charge sous l'effet de la cuisson.
Divers moyens de fourniture de la chaleur nécessaire à la réaction de réduction ont été suggérés dans le passé.
Selon un de ces moyens, du courant électrique est envoyé dans la charge entre des électrodes disposées de manière appropriée. Ce mode de chauffage s'est avéré approprié dans le cas particulier où un grand excès de carbone est utilisé pour empêcher#la concrétion ou frittage. Toutefois, comme le courant électrique est souvent une source de cha-
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leur relativement coûteuse et comme la construction du four est, dans une certaine mesure, compliquée du fait des dispositifs réécessaires pour la fourniture de courant électrique, on préfère souvent un mode de chauffage ne nécessitant pas la fourniture d'énergie électrique .
On a également suggéré diverses méthodes, dans lesquelles la chaleur est fournie au moyen de brûleurs, placés au- dessus de la charge et, de préférence, à l'extrémité de décharge du four. Dans ces cas, on emploie de l'huile,du charbon pulvérisé ou un gaz combustible comme comburant.
De plus, on a également proposé dans le passé d'utiliser, pour le procédé de réduction, au moins une partie de l'oxyde de carbone engendré dans la charge. La flamme du brûleur est dirigée parallèlement à l'axe du four et les gaz de rebut sont déchargés à l'extrémité d'alimentation ou de chargement dudit four. Toutefois, ce mode de fourniture de chaleur présente un inconvénient sérieux, résidant dans le fait que les parois du four sont chauffées à une tempéra- ture considérablement supérieure à celle atteinte par la charge, en sorte qu'il se produit des dépôts tenaces sur les parois et, dès lors, des dérangements dans le déroulement de la réduction.
La présente invention, qui a pour but d'éliminer les inconvénients mentionnés ci-dessus, est relative à un procé- dé de réduction de minerais, sans fusion, ni concrétion ou frittage, dans lequel procédé on chauffe un mélange d'un minerai, dont les particules présentent des dimensions appropriées, et d'une matière carbonacée à grains fins, dans un four rotatif, à travers lequel la charge passe, tout en étant continuellement chauffée par soufflage de gaz contenant de l'oxygène libre sur la surface de cette charge.
Ce nouveau procédé se caractérise principalement par le
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fait quele four est chargé au moyen d'une quantité de matière carbonacée à grains fins à tel point supérieure à celle re- quise pour le chauffage et la réduction, que, en raison du rapport quantitatif et de la différence entre les poids spé- cifiques du minerai et de la matière carbonacée, la charge se scinde partiellement, en tournant, de manière à former une couche superficielle de matière carbonacée, recouvrant la charge et empêchant la réoxydation et la concrétion du minerai réduit, la chaleur nécessaire étant, en substance, engendrée par la combustion d'une partie de la matière carbo- nacée précitée et de l'oxyde de carbone formé pendant la réduction, au moyen d'air ou d'un autre gaz contenant de l'oxygène libre,
ce gaz étant admis dans le four sous forme d'un ou de plusieurs jets dirigés sensiblement vers la sur- face de la charge, de façon que l'oxygène soit réparti sur la portion longitudinale de la surface de la charge, où la température la plus élevée doit être maintenue .
On aurait dû s'attendre à ce qu'il soit difficile,sinon impossible, de réduire le minerai, par soufflage d'oxygène li- bre directement sur le mélange minerai-carbone. En réalité, la fourniture d'oxygène n'a, toutefois, aucun effet désavan- tageux à ce point de vue, notamment en raison du fait que le minerai, qui est plus lourd que le carbone, s'enfonce dans la charge, dont la couche superficielle est donc sensible- ment constituée de carbone . Toutefois, il importe que la hauteur ou épaisseur de la charge ne soit pas trop faible et que la vitesse de rotation du four soit suffisamment grande.
En prévoyant des ouvertures centrales de dimensions appro- priées pour le chargement et l'évacuation de la charge,on arrive sans difficulté à faire occuper par la charge au moins 25 % du volume du four, ce qui est souhaitable. Un certain excès''- d'agent réducteur, au delà de la quantité requi- se pour engendrer la chaleur nécessaire et pour réduire le minerai, doit également être employé, afin de diminuer @
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les risques de réoxydation et de concrétion . Une quantité excédent la quantité consommée d'au moins 50 % s'est avérée souhaitable . L'excès d'agent réducteur peut subséquemment être séparé du métal spongieux et être employé à nouveau dans le procédé de réduction.
Le charbon de bois (ou le bois sous -forme de copeaux ou de sciure) de même que le charbon minéral, éventuelle- ment mélangés l'un à l'autre, peuvent être employés comme agent réducteur. Si on emploie du charbon minéral, la te- neur en soufre du produit obtenu devient élevée, à moins qu'une substance capable de fixer le soufre, telle que la chaux, ne soit additionnée à la charge. L'addition de chaux augmente la tendance à la concrétion . Toutefois, le procédé décrit peut être exécuté sans dérangements, même si l'on a ajouté de la chaux à la charge, en sorte que le procédé convient particulièrement pour l'emploi de coke eu de char- bonsminéraux, comme agents réducteurs.
Pour séparer effi- cacement la chaux contenant le soufre fixé du fer spongieux, après exécution du procédé de réduction, on réalise, de préférence, une séparation magnétique dans une suspension aqueuse.
Etant donné que la période de réduction de chaque particule de minerai doit être très courte, on préfère em- ployer un minerai à grains fins, dont les particules ont des dimensions correspondant à celles des concentrats de minerai ou autres produits minéraux finement divisés* A d'autres points de vue, il est, toutefois, avantageux que le minerai se présente sous forme de morceaux ou d'agrégats de dimen- sions pas trop élevées. En règle générale, les meilleurs résultats sont obtenus, lorsque les particules ou agrégats du minerai ont une grosseur comprise dans l'intervalle allant de 5 à 15 mm.
Lorsqu'on utilise des minerais faciles à réduire, il est, toutefois, possible d'employer des mor-
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ceaux encore plus grossiers, si la prolongation de la période de réduction ne s'accompagne pas d'une diminution trop grande du rendement de l'opération.
Le minerai en morceaux destiné à être employé dans le procédé suivant l'invention, peut être préparé en concassant ou en broyant le minerai jusqu'à une dimension particulàire appropriée et éventuellement en opérant un tamisage , de fa- çon à obtenir des grains de dimensions uniformes. Il est, toutefois, également possible d'employer des agglomérats pré- parés selon les méthodes connues et de broyer ces agglomérats jusqu'à la dimension particulaire voulue . Un minerai, qui a été concassé, broyé et éventuellement aussi concentré peut être transformé en morceaux, par fusion et par concassage de la masse fondue solidifiée jusqu'à la dimension particulaire appro- priée. Le procédé mentionné en dernier lieu donne des résul- tats particulièrement bons, lorsqu'on utilise des minerais pulvérulents à forte teneur en métal .
Toutefois, dans la plupart des cas, la matière première la mieux 'appropriée pour le procédé de réduction suivant l'invention s'obtient en utili- sant les procédés de concrétion ou d'agglomération, dans les- quels le produit obtenu est constitué de morceaux sphériques uniformes, en sorte qu'aucun concassage des agglomérats n'est nécessaire . Parmi les procédés répondant aux conditions énoncées ci-avant, on peut mentionner les procédés de formation de boulets, dans lesquels le produit obtenu se présente sous forme de boules sensiblement sphériques, auxquelles peuvent être conférées les dimensions idéales pour l'exécution du pro- cédé de réduction.
S'il est souhaitable d'employer un produit concrétionné, se présentant sous la forme de boulets ou de briquettes,la concrétion peut être exécutée immédiatement avant la réduction.
Le produit pulvérulent est alors mélangé à un agent liant appro-
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prié, telle qu'une lessive sulfitique ou un produit analo- gue, et moulé sous forme de boulets ou de briquettes, qui, une fois séchés, possèdent la résistance voulue pour être manipulée . Les boulets ou les briquettes sont amenés direc- tement dans le four de réduction, de préférence après avoir été séchés, et sont chauffés successivement , tout en étant noyés dans de la matière carbonacée en poudre .
De cette manière, ces boulets ou briquettes sont exposés à une pression répar- tie uniformément pendant le chauffage, en sorte que la danger de voir ces boulets ou ces briquettes se briser est sensible- ment éliminé Contrairement à la pratique habituelle,l'agglo- mération se fait, dans ce cas, dans une atmosphère réductri- ce et non dans une atmosphère oxydante . Lorsqu'on chauffe du minerai de fer dans une atmosphère réductrice, la réduc- tion en fer métallique commence à des températures inférieures à 00 C et simultanément la résistance des boulets ou des briquettes tend à augmenter.
Dès lors, il est possible, dans ce cas, d'effectuer l'agglomération à une température sensi- blement inférieure à la température nécessaire , lorsque l'agglomération est exécutée en atmosphère oxydante, et, en outre, d'agglomérer directement avant d'opérer la réduc- tion, en sorte qu'un stade peut être économisé dans le cycle opératoire.
En réduisant du minerai, se présentant sous forme de morceaux, la tendance de ce minerai à former des agrégats indésirables et à adhérer aux parois du four est sensiblement moindre que lorsqu'on réduit du minerai se présentant sous forme de particules plus petites.
Comme l'agent réducteur se présente, de préférence, sous forme d'une poudre, afin de réaliser une capacité de réduction satisfaisante, la séparation de l'excès de cet agent réducteur est facilitée., lorsque le minerai est employé sous
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la forme de morceaux ou blocs. Dans ce cas, la séparation de l'excès d'agent réducteur peut se faire par un simple tamisage des morceaux ou blocs de métal réduit, en fai- sant passer ce métal ainsi que l'agent réducteur pulvéru- lent en excès sur un tamis et en renvoyant l'agent réduc- teur pulvérulent dans le cycle opératoire . La séparation est, de préférence, exécutée pendant que le produit est encore chaud, ce qui permet de remettre l'agent réducteur nt en circuit, sans que se produise/des pertes importantes de chaleur.
Le dispositif de séparation peut être placé à l'in- térieur du four de réduction et peut être disposé de façon que l'agent réducteur soit totalement ou partiellement re- tenu dans le four, tandis que le métal spongieux .est déchargé . Si l'agent réducteur n'est que partiellement retenu dans le four, la portion d'agent réducteur dé char- gée avec le métal spongieux peut être séparée de ce der- nier à l'extérieur du four et peut être renvoyée dans ce- lui-ci par soufflage au moyen d'air ou d'un autre gaz.
Lorsque l'agent réducteur contient du soufre, il est préférable d'ajouter à la charge de la chaux, de la pierre calcaire, de la dolomite ou un autre agent de fixation du soufre . La dimension des particules de la matière fixant le soufre doit être choisie de façon que cette matière puisse être séparée du métal spongieux et de l'excès d'agent réducteur par tamisage.
Si on utilise un agent réducteur contenant des cendres, e ' les centres formés pendant le traitement de réduction ont tendance à adhérer aux morceaux de métal spongieux, de telle sorte que ce métal est souillé par des impuretés.
Si on utilise des boulets ou des briquettes de minerai, la cendre est, toutefois, très facile à éliminer, en amenant les boulets ou les briquettes à frotter l'un con- tre l'autre ou contre une- autre matière dans un appareil
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approprié, tel qu'un tambour rotatif. Les cendres adhé- rant au métal spongieux quittant le four ne constituent normalement qu'une fraction de la quantité totale de cen- dres formées par la combustion de l'agent réducteur.
Une partie plus importante des cendres formées étant déchargée du four avec les gaz de combustion, la teneur en cendres de l'agent réducteur en circulation n'augmente que lente- ment, en sorte que cet agent peut être mis en circulation, sans que le pourcentage de cendres y contenu atteigne des va- leurs élevées préjudiciables. est
Le procédé de réduction/, de préférence, exécuté dans un four rotatif longitudinal à axe sensiblement horizontal, ce four étant muni d'ouvertures centrales ménagées dans les parois d'extrémité , pour le chargement et le déchargement de la matière à traiter et traitée .
Le produit de la ré- duction est, de préférence, déchargé par un dispositif d'éclu- sage de construction connue, dans lequel le produit déchargé peut être refroidi en étant à l'abri de l'air et qui empêche également les gaz du four de quitter celui-ci . Le gaz par un tuyau de combustion est, dedpréférence, soufflé dans le four/fai- sant saillie à l'intérieur du four à partir de l'extrémité de chargement de celui-ci, ce tuyau étant pourvu d'un ou de plusieurs orifices appropriés pour souffler des gaz conte- nant de l'oxygène libre sur la charge.
Le tuyau d'amenée du gaz oxygéné peut également comprendre ou consister en un certain nombre de tuyaux ou conduits concentriques ou paral- lèles , chacun de ces tuyaux étant pourvu d'un orifice propre et étant pourvu d'une vanne propre, grâce à laquelle la distribution du gaz de combustion peut être contrôlée pen- dant la réduction. L'orifice le plus voisin de l'extrémité de décharge doit être placé à une certaine distance de cette extrémité, de façon à empêcher la formation d'une atmosphère oxydante dans la zone d'extrémité du four, où la réduction finale du minerai a lieu .
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Pour obtenir une combustion suffisamment rapide de l'a- gent de réduction, celui-ci doit nécessairement être, au moins partiellement, très finement divisé. Si la totalité de l'agent de réduction est additionnée à la charge à l'extrémi- té d'entrée du four de réduction, une grande quantité d'agent réducteur tourbillonne dans la phase gazeuse, en raison de la rotation du four, et quitte le four en même temps que les produits de combustion gazeux sans avoir participé à la ré- duction. Il s'est, dès lors, révélé opportun de séparer les plus fines particules de l'agent réducteur de la masse de celui-ci et d'introduire des fines particules plus loin dans le four, c'est-à-dire dans la zone où elles exercent le meilleur effet sur la réduction.
Toutefois, il n'est pas nécessaire que l'agent réducteur à grains fins introduit dans la zone de réduction soit du même type que l'argent réducteur introduit en même temps que le minerai . Il est seulement nécessaire que celui-ci soit suffisamment facile à oxyder, tandis que l'agent réducteur mélangé à la charge peut passer, sans être consom- mé, à travers le four, en ayant comme rôle essentiel uni- quement d'alléger la charge et d'empêcher l'agglomération des particules du minerai . Il n'est pas toujours nécessaire de mélanger l'agent réducteur à la charge à l'extrémité d'en- trée du four. La quantité totale d'agent réducteur nécessai- re peut souvent être introduite directement dans le four, dans une zone intermédiaire de celui-ci .
De cette manière, la possibilité de combustion complète du gaz réactionnel, avant qu'il ne quitte le four, est accrue et l'économie de chaleur est améliorée . Dans certains cas, il peut être avantageux d'introduire une partie de l'agent réducteur en même temps que l'air de combustion, par exemple par l'in- termédiaire de brûleurs dirigés vers la charge.
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Si l'agent réducteur est une matière combustible pulvé- rulente relativement dure, telle que du coke ou du graphite, il est souhaitable d'introduire simultanément une quantité de gaz combustible ou d'une matière facilement combustible, afin d'atteindre la température de départ nécessaire à la combustion de l'agent réducteur.
Si on utilise un agent réducteur solide à grains rela- tivement grossiers, qui passe à travers le four sans partici- per, dans une mesure appréciable, à la réaction, de même que si on utilise une matière combustible plus aisément combusti- ble, qui sert de carburant principal et d'agent de réduction, l'agent de réduction mentionné en premier lieu peut , sans inconvénient, contenir du soufre, tandis que le carburant men- tionné en dernier lieu ne doit, de préférence, contenir qu'un faible pourcentage de soufre , si on désire obtenir un métal spongieux à faible teneur en soufre.
Les gaz contenant de l'oxygène peuvent 'être également soufflés dans le four, totalement ou partiellement à partir de l'extrémité de décharge de celui-ci . Dans ce cas,l'excès d'agent réducteur séparé du métal spongieux quittant le four, est, de préférence, amené dans le tuyau de soufflage et ren- voyé dans le four avec les gaz. Ainsi, l'agent réducteur recy- clé ne s'accumule pas dans la zone de décharge du four, comme c'est le cas, lorsque l'agent réducteur recyclé est amené directement dans cette partie du four.
L'économie thermique du procédé peut être améliorée en utilisant la capacité calorifique physique du métal spongieux déchargé, pour chauffer, dans un échangeur de chaleur, les gaz contenant de l'oxygène soufflés dans le four. La chaleur du métal spongieux peut également être utilisée pour préchauffer le mélange de minerai et d'agent réducteur introduit dans le four.
On a représenté sur les dessins annexés ou présent
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mémoire, deux formes d'exécution d'un four pour la mise en oeuvre de l'invention. Il est évident que l'invention n'est nullement limitée aux formes d'exécution représentées et que d'autres types de fours peuvent avantageusement être utilisés.
Dans les dessins ci-annexés : - la figure 1 est une coupe diamétrale d'un four pour exécuter le procédé suivant l'invention; - la figure 2 est une coupe suivant la ligne II-II de la figure 1; - la figure 3 est une coupe suivant la ligne III-III de la figure 1 ; - la figure 4 est une coupe longitudinale partielle d'une autre forme d'exécution de four, seule l'extrémité de décharge du four étant représentée; - la figure 5 est une coupe suivant la ligne V-V de la figure 4, et - la figure 6 est une coupe suivant la ligne VI-VI de la figure 2.
Aux figures 1, 2 et 3, on a désigné, en général, par la notation de référence 10 un four, comprenant une en- veloppe extérieure 11 en tôla d'acier, de forme sensible- ment cylindrique et revêtue intérieurement d'un garnissage réfractaire 12. L'enveloppe est montée, de manière à pouvoir tourner, par l'intermédiaire de rails annulaires 13, sur des galets ou roues rainurés non représentés. Les parois d'extrémité 14 et 15 du four comportent des ouvertures centrales 16 et 17 respectivement. L'ouverture 16 sert à l'alimentation du four et va en s'élargissant vers l'inté- rieur de celui-ci. L'ouverture 17, ménagée dans la paroi d'extrémité opposée du four, est également conique, mais va en s'élargissant vers l'extérieur et comporte un disposi- tif de déchargement, qui-sera décrit ci-dessous.
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La charge est amenée dans le four par une trémie 18.
Les gaz contenant de l'oxygène , tels que de l'oxygène pur ou de l'air enrichi en oxygène, sont soufflés dans le four, vers le milieu de celui-ci, par un tuyau 19 muni d'orifices ou de tuyères 20, pour diriger les jets de gaz vers la surface libre de la charge introduite dans le four. A l'extrémité de décharge, le four est équipé d'un dispositif permettant d'évacuer le minerai réduit à l'état de métal spongieux .
Ce dispositif d'évacuation comprend deux plaques perforées opposées l'une à l'autre et se présentant sous la forme de pelles ou d'auges 21, ces pelles ayant pour effet, lors de la rotation du four dans le sens de la flè- che 22, d'en retirer une partie de la charge et, lorsqu'elles occupent leur position la plus élevée, de guider la quantité de charge extraite du four vers l'ouverture de décharge 17,ménagée dans la paroi terminale du four. En raison des perforations ménagées dans les plaques 21, il se produit un tamisage pendant l'élévation des pelles 21, en sorte qu'une partie substantielle des particules de faibles dimensions contenues dans la fraction de charge évacuée du four peut retourner dans celui-ci.
Comme l'agent réducteur constitue, en substance, le constituant à grains fins de la charge du four et comme le métal spongieux en constitue le constituant grossier, le tamisage mentionné ci-dessus est tel que le produit décharge du four consiste essentiellement en métal spongieux et ne contient qu'aine faible proportion d'agent réducteur.
De l'orifice de décharge, le métal spongieux passe par un dispositif d'éclusage 23, muni de trois cloisons verticales 24, dont chacune présente à sa périphérie une ouverture 25. Les ouvertures 25 ménagées dans les trois cloi- sons 24 sont décalées l'une par rapport à l'autre, de sorte que les produits de combustion gazeux ne peuvent pas traver-
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ser le dispositif d'éclusage, étant donné qu'au moins une ouverture 25 est toujours obturée par du métal spongieux et que, par conséquent, le passage est obstrué par la masse de métal spongieux se trouvant dans les compartiments délimi- tés par les cloisons 24.
Si les dimensions des particules du métal spongieux sont les mêmes que celles de l'agent réducteur, il est évi- demment impossible de séparer le métal spongieux de l'agent réducteur par tamisage . Dans ce cas le dispositif 21 est, de préférence, non perforé . La séparation peut, dans ces cas, être exécutée au moyen d'un appareil de concentration électromagnétique ou mécanique, bien connu en métallurgie .
La forme d'exécution de four suivant l'invention,repré- sentée à la figure 4 ainsi qu'aux figures 5 et 6, diffère sensiblement essentiellement de la forme d'exécution représen- tée à la figure 1, en ce sens que le tuyau servant à introduire les gaz contenant de l'oxygène dans le four est inséré cen- tralement dans l'ouverture de décharge de ce four. Le dispo- sitif de décharge comprend, dans ce cas, un tamis cylindri- que 27, dihposé concentriquement au four et au tuyau 26 d'introduction des gaz oxygénés. Le tamis est ouvert à ses extrémités et présente un diamètre tel qu'une partie de sa surface se trouve toujours sous la surface de la charge se trouvant dans le four.
A l'extrémité inférieure du tamis
25, une cloison verticale 28 s'étend entre la périphérie ex- térieure du tamis et la périphérie intérieure du garnissage réfractaire 12 du four. ±ntre cette cloison 28 et la paroi d'extrémité conique du four est ménagée une chambre 29, servant à recueillir les particules ayant passé au travers du tamis 27. Cette chambre 29 communique avec le tuyau 26 d'introduction des gaz oxygénés, par un conduit 30 présen- tant une ouverture d'entrée 31 adjacente au garnissage du four 12. Lorsque le conduit 30 est dans la position repré-
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sentée à la Figure 4, la masse de particules se trouvant au fond de la chambre 29 s'écoule dans ce conduit.
Lorsque le four continue à tourner, l'extrémité extérieure du conduit
30 s'élève par rapport à son extrémité intérieure et la commu- nication est interrompue entre la masse se trouvant dans la chambre 29 et à l'intérieur du conduit 30. A mesure que se poursuit la rotation du four, l'extrémité extérieure du conduit 30 atteint un niveau plus élevé que son extrémité intérieure , en sorte que la masse de particules renfermé-e dans le conduit est déchargée dans le tuyau 26 et soufflée dans le four, au moyen des gaz soufflés par ce tuyau dans ce four.
Les particules , qui ne passent pas au travers du tamis 27, sont déchargées dans un dispositif d'éclusage tel que celui représenté à la figure 2.
Le procédé suivant l'invention ne doit pas être considéré comme ne' pouvant être exécuté qu'en employant les fours décrits ci-dessus. D'autres types de fours que ceux décrits peuvent être utilisés pour la mise en pratique de l'invention.
Le procédé suivant l'invention peut également être utilisé dans les cas où il est difficile d'obtenir un produit pouvant être utilisé directement pour la production d'acier.
La simplicité du procédé et la possibilité d'employer des agents réducteurs peu coûteux, tels que la poussière de coke, rend le traitement très peu coûteux, en sorte que du fer spongieux souillé par du soufre et/ou de la gangue peut, par exemple, être avantageusement raffiné, par fusion jusqu'à obtention de fer brut dans un four séparé.
Le procédé suivant l'invention n'est pas limité à la réduction du minerai de fer, mais peut également être utilisé pour des minerais d'autres métaux, qui peuvent être réduits, sans fusion, en présence de carbone.
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