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La présente invention a trait, de manière générale, à la récupéra- tion du fer de mineraiso Ses buts principaux sont les suivants :
Proposer un procédé destiné à supprimer 1 emploi du haut-fourneau ordinaire et, donc,1 emploi du coke en tant que combustible et squelette de support dans un fourneau à cuve.
Proposer un procédé de fusion susceptible de récupérer du fer contenu dans des minerais finement divisés, ce qui supprime la nécessité d'en former des briquettes ou des comprimés.
Proposer un procédé et un appareil où la chaleur requise et l'at- mosphère réductrice requise sont obtenues par la combustion de combustibles "mobiles" tels que les gaz, le charbon ou le coke pulvérulents et analogue
Proposer un moyen et un procédé qui facilitent l'obtention d'une flamme de haute température en brûlant un combustible tout en maintenant la nature réductrice des produits de sa combustion.
Proposer un moyen et un procédé d'une utilisation plus économique et complète de la chaleur produite au cours du processus. De manière spé- cifique, mais sans effet limitatif, lorsqu'il est nécessaire de refroidir les produits réducteurs de la combustion provenant du four afin de les uti- liser à réduire le minerai de fer, le demandeur emploie la chaleur absorbée de ces gaz à produire les températures requises au point de combustion.
Proposer un procédé dans lequel on peut réaliser des économies substantielles dans le prix de revient de la tonne de fer récupéré.
Enfin, proposer un procédé demandant un investissement de capitaux sensiblement moindre en biens d'équipement.
Ces buts généraux de l'invention et des buts plus spécifiques se- ront exposés plus loin ou apparaîtront à une personne versée dans cette tech- nique, à la lecture de la description ; ils sont atteints par le procédé et l'appareil dont certaines réalisations exemplaires vont maintenant être dé- crites. Il est fait référence aux dessins annexés.
La figure 1 est une section schématique d'un appareil de réduction et de fusion directe du minerai de fer,
La figure 2 est une section schématique d'une autre forme de four- neaux qui peut être employé.
La figure 3 est une section schématique d'un appareil dans lequel la réduction s'effectue à l'extérieur de la chambre de fusion du fourneau de fusion.
La figure 4 est une section schématique d'un appareil échangeur de chaleur destiné à effectuer le cracking de combustibles mobiles dans un appareil du type représenté figure 3.
La figure 5 est une vue semblable à la figure 4 d'une forme modi- fiée d'appareil approprié à la mise en oeuvre de l'invention.
Dans le haut-fourneau ordinaire, le fait est bien connu, on intro- duit le coke, le calcaire et le minerai de fer dans la cuve du haut-fourneau par la cloche du gueulard, tandis que l'air comburant est introduit plus bas, dans la cuve, par des tuyèreso La fonction du coke est triple. Il sert à produire la chaleur par la combustion avec l'air pré-chauffé et la, chaleur doit suffire à maintenir dans le fond de la cuve une nappe fondue de fer et de laitier. Le coke sert aussi d'agent réducteur nécessaire à la réduction des minerais oxydés en fer, l'agent réducteur étant l'oxyde de carbone.
Mais le coke a une autre fonction indispensable encore il sert de squelette de
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support dans la cuve du fourneau, squelette qui est poreux de manière à ré- duire la résistance à l'écoulement des gaz vers le haut dans la cuve. Comme le pourcentage des fines du minerai a augmenté ces dernières années, cette troisième fonction du coke a pris une grande importance,particulièrement pendant les périodes de maxima de production, lorsqu'on fait tous les ef- forts pour souffler dans la cuve le maximum de gaz possible.
On obtient, dans les haut-fourneaux modernes, de fortes productions en choisissant un coke ayant des propriétés physiques supérieures, en reje- tant les petites grosseurs, telles que la petite gailletterie et les brai- settes, et parce qu'on appelle le chargement en couches. Le prix de revient de l'exploitation augmente continûment à cause de la difficulté de l'obtention d'un charbon apte à donner un coke résistant. Certaines autorités sont d'a- vis qu'avec le temps, et par unité de capacité du haut-fourneau, la produc- tion a diminué d'environ 10 % et la consommation du coke a augmenté d'un pourcentage semblable.
Le fait est aussi bien connu qu'on ne trouve plus de gros mine- rais de haute qualité. D'autre part, qu'il ait été jamais théoriquement pos- sible ou non d'exploiter un haut-fourneau avec des combustibles gazeux, c'est tout à fait impossible de nos jours sans employer de coke, car le co- ke est nécessaire pour créer des vides dans la cuve du fourneau, vides qui permettent aux gaz de passer. Les minerais relativement fins dont on dispo- se de nos jours, mélangés à une petite proportion de calcaire requis comme fondant, se tasseraient trop serré dans la cuve du fourneau pour permettre le passage nécessaire des gaz.
La situation empire continûment à mesure que les minerais des hau- tes qualités disparaissent. Les taconites disponibles peuvent être concentrés pour former un minerai ayant une teneur suffisante en fer pour en permettre l'emploi; mais il est nécessaire daller plus loin et de produire des briquet- tes, des masses agglomérées, des nodules ou des comprimés à partir des matiè- res fines qui sortent des appareils de concentration du minerai de taconite, si ces matières doivent être employées dans un haut-fourneau.
Il a aussi été antérieurement admis que les minerais de fer pou- vaient être réduits dans des atmosphères gazeuses à des températures relati- vement basses, mais cela n'a pas résolu le problème d'une production à bas prix du fer, car le produit final est une masse spongieuse de fer réduit, qui demande à être fondue et séparée de grandes quantités de gangue ou de matières formatrices de laitier et qu'il n'y avait pas de procédé économique satisfaisant pour fondre le fer ainsi formé.
En outre, lorsqu'on emploie le coke dans un haut-fourneau, il se consomme de diverses manières. Par exemple, dans un bilan thermique où il faut 1800 livres anglaises de coke pour produire une tonne de fer, 1475 li- vres brûlent aux tuyères, 125 carburent le fer et réduisent les métalloïdes, tandis que les 200 livres restantes réagissent avec l'anhydride carbonique pour former l'oxyde de carbone et constituent une perte appelée souvent "per- te par solution". Pour chaque livre de carbone perdue de cette manière ou dans la réaction de réduction directe, on doit en brûler une livre et demie de plus auz tuyères pour compenser la chaleur consommée. Il n'est pas pos- sible d'éliminer la perte essentielle de coke dans le haut-fourneau et le haut-fourneau produit, de manière inhérente, un fer riche en carbone.
En bref, dans la mise en oeuvre du présent procédé, on produit une flamme à partir d'un combustible gazeux ou liquide ou à partir d'un combus- tible que l'on peut manutentionner d'une manière semblable, tel que le gaz naturel ou artificiel, l'huile ou le charbon pulvérulent, flamme qui doit (a) avoir une température supérieure au point de fusion du fer produit et
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(b) être de préférence de nature réductrice. Une partie au moins de la cha- leur sensible de cette flamme peut être utilisée pour maintenir le bain de fer à l'état fondue Le demandeur emploie les caractéristiques réductrices des produits de la combùstion de la flamme pour réduire le minerai de fer en fer sous forme de particules. Finalement, le demandeur fait fondre le fer réduit en un bain liquide.
Le procédé peut être mis en oeuvre de diverses manières et dans des appareils de différents types ; on n'emploie pas de fourneau à cu- ve, tel qu'un haut-fourneau, dans lequel les gaz passent à travers une char- ge située dans la cuve. Ainsi, le problème de créer la porosité et la sta- bilité de la structure dans une charge mise dans un fourneau à cuve ne se présente pas dans le procédé selon la présente invention. Le fourneau a, au contraire, la forme d'un four à bain dans lequel une nappe de fer fondu, couverte évidemment de laitier, est gardée fondue par la chaleur d'une flam- me supérieure, plus ou moins comme dans un four à réverbère; ou il peut avoir la forme d'une chambre enfermée d'où le métal fondu par la flamme s'é- coule par une ouverture convenable dans un récipient séparé.
L'emploi du coke dans les trois buts qu'il sert dans le haut-fourneau, à savoir comme combustible producteur de chaleur, comme moyen de production d'une atmosphè- re convenablement réductrice et comme moyen de support d'une charge poreuse, est complètement supprimé. Le procédé selon la présente invention n'exclut pas l'addition du coke ou d'un carbone d'une autre forme pour carburer le fer dans les cas où on le désire et il est entendu qu'un fer fortement car- boné fond à une température quelque peu inférieure à celle de la fusion d'un fer pauvre en carbone.
La praticabilité du procédé selon la présente invention dépend de la productionà l'aide des types de combustible ici envisagés, d'une flamme qui a à la fois la température requise et les caractéristiques réductrices requises. On peut obtenir cela de deux manières, soit en préchauffant l'air employé pour la combustion, soit en enrichissant la teneur en oxygène de l'air. On peut adopter les deux procédés si on le désire. Le préchauffage de l'air, réalisé pour garder la température requise de la flamme, qui doit être d'au moins 2500 F et, de préférence, aux environs 3000 F ou supérieure, est praticable et peut être aisément employé.
Toutefois, l'enrichissement de l'air en oxygène est généralement préféré dans la mise en oeuvre du pro- cédé et on le trouve plus économique et plus commode dans le cas où l'on dis- pose d'oxygène à bon marché ou produit concomitamment avec le processus. La chaleur requise de la flamme peut être généralement obtenue en enrichissant l'air comburant par l'oxygène jusqu'à une teneur de 30% par exemple, ou supé- rieure ; et si l'air enrichi en oxygène contient sensiblement 40 % à 50 % d'oxygène, aucun préchauffage du gaz n'est ordinairement requis. Il n'y a évidemment aucune limite à la teneur en oxygène qui peut aller jusqu'à 100 inclusivement du gaz introduit avec le combustible dans la zone de com- bustion.
La nature des combustibles qui peuvent être employés a déjà été in- diquée de manière générale. Les matières combustibles des différents com- bustibles varient évidemment chimiquement et en pourcentage. Une caracté- ristique nécessaire de la flamme et de ses produits de combustion est qu'ils soient de nature réductrice. Cela signifie que la proportion du combustible et de l'oxygène dans le mélange combustible doit être réglée de manière à permettre la production de très peu d'anhydride carbonique. Les combusti- bles hydrocarbonés peuvent être complètement brûlés en anhydride carbonique et en eau, mais on doit éviter cela.
Le carbone doit être principalement brûlé seulement en oxyde de carbone et le rapport d'hydrogène à la vapeur d'eau dans les produits de la combustion doivent être tenus au moins aux en- virons de 1 :1 afind'empêcher la formation d'une atmosphère oxydante pour le
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fer.
Pour divers combustibles, la proportion précise d'oxygène requis pour produire l'atmosphère réductrice voulue, varie ; mais il est possible pour tout combustible gazeux, liquide ou pulvérulent, de limiter la quanti- té d'oxygène de manière à produire une flamme de la nature réductrice indi- quée, tout en réglant la température de la flamme en limitant les quantités de gaz inerte qui doivent être chauffées par la flamme (c.-à.-d. en enrichis- sant l'air par l'oxygène) ou en préchauffant l'air ou les deux. Puisque dans plusieurs variantes de'l'invention, un mélange de fer réduit et de chaux (fondant) est soumis à l'action directe de la flamme de manière à être fondu et à donner un bain de fer fondu, la flamme doit agir pour conserver le ca- ractère réduit du fer.
Comme un mélange gazeux pénètre dans un four et est brûlé, une partie de la flamme peut être de nature oxydante et cela n'a pas d'importance en soi pourvu que le reste de la flamme soit réductrice et agis- se pour conserver le caractère réduit du fer ou pour le ré-réduire avant qu'il ne pénètre dans le bain.
Il est maintenant fait référence à la fig. 1 qui représente un fourneau 1 contenant dans sa partie inférieure un bain 2 de fer fondu et un bain surnageant 3 de laitier. Des trous de coulée 4 et 5 sont prévus pour les deux bains. La flamme ou les flammes réductrices susmentionnées sont in- troduites dans le fourneau par des brûleurs ou des tuyères indiquées en 6 et 7. Une chaleur suffisante est produite par les flammes réductrices pour maintenir les bains de fer et de laitier à l'état fondu et les produits de combustion, qui sont de nature réductrice sortent du fourneau par un four rotatif 8 porté près du fourneau par une pièce coulée 9, refroidie à l'eau, qui sert aussi de support à un joint à gaz convenable 10.
Un minerai finement divisé, ou un mélange de minerai finement di- visé et de calcaire ou de chaux calcinée est introduit dans le bout opposé du four 8, par une trémie 11, le mélange finement divisé étant introduit avec un débit convenable à l'aide d'une vis motorisée ou d'une autre manière.
Les gaz réducteurs provenant du fourneau 1 passent par le four 8 pour péné- trer dans une enveloppe 13 située à son bout opposé et passent-de là vers une cheminée ou une conduite 14. Un regard 15 peut être prévu dans l'enveloppe.
L'effet des gaz réducteurs présents dans le four rotatif 8 est de réduire le minerai de fer en fer métallique et de calciner le calcaire dans les cas où cette matière sert de fondant. La rotation du four aide à empêcher l'ag- glomération des matières réduites ou non réduites y contenues, Là où c'est nécessaire, on peut, dans le domaine de l'invention, enrichir les gaz du four 8 en hydrogène ou en autres gaz réducteurs, tels que le gaz naturel, introduits par une ou plusieurs tuyères 16.
Le cracking du gaz naturel ou d'autres gaz.hydrocarbonés, employés pour l'enrichissement, produit du carbone finement divisé. Toutefois, cet- te substance tend à empêcher l'agglomération du minerai, et peut'tendre, dans certaines circonstances, à réduire l'anhydride carbonique ; en tous cas, c'est un combustible dont les valeurs ultimes ne se perdent pas dans le pré- sent système.
Au moment où le mélange de minerai de fer et de chaux atteint le bout du four 8 et se déverse dans le fourneau 1, le fer est déjà réduit; il fond et rejoint le bain 2 sous l'effet de la chaleur des flammes provenant des brûleurs 6 et 7, la chaux formant évidemment le bain de laitier 3. Au sommet du fourneau, comme, il est indiqué en 17, on peut prévoir une cloche de gueulard pour permettre l'introduction d'une matière formatrice de lai- tier ou d'autres matières de réglage dans le bain du fourneau. Des ingré- dients d'alliage peuvent être ainsi introduits, de même que le coke et d'au- tres formes convenables du carbone, afin d'augmenter la teneur en carbone du fer contenu dans le bain 2.
Les températures de fusion peuvent être mou-
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difiées quelque peu de cette manière, mais le procédé ne dépend pas de l'ad- dition de carbone solide au fer et c'est un avantage du procédé que des fers peu carbonés peuvent être directement produits, ce qui requiert moins de raffinage ultime, par exemple, dans un four à sole.
L'enveloppe 13 peut être pourvue d'une porte inférieure 18 desti- née à l'évacuation des matières qui s'y accumulent. Il est entendu que les valeurs combustibles des gaz sortant par la conduite ou cheminée 14 peuvent être réoupérées de toute manière convenable. Les valeurs thermiques peu- vent être employées en partie pour préchauffer l'air enrichi envoyé aux tuy- ères 6 et 7 ou l'énergie récupérée des valeurs thermiques peut être utili- sée par exemple pour la production locale de l'oxygène.
La figure 1 est essentiellement sohématique, bien qu'elle illus- tre un procédé praticable. Il y a d'autres moyens d'employer les gaz ré- ducteurs produits par les flammes, pour la réduction du minerai. Figure
2, se trouve représenté un@fourneau 19 du type à bain contenant une nappe de fer fondu 20 et un bain de laitier 21. Une flamme, donnée par un brûleur 22, est amenée à frapper la surface des bains fondus du fourneau, le brû- leur étant pourvu d'une conduite 23 destinée au combustible et d'une condui- te 24 destinée à l'oxygène ou à l'air enrichi en oxygène.
Les produits de la combustion de la flamme sortent du fourneau par une cheminée vertica- lement allongée 25 et un carneau 26, Un dispositif 27 sert à introduire dans la cheminée 25 un mélange finement divisé de minerai de fer et de fon- dant ou un fer pulvérulent totalement ou partiellement réduit, selon le cas.
La vitesse du gaz dans la cheminée 25 peut être réglée en modifiant les di- mensions de la cheminée, de manière que les matières finement divisées tom- bent dans les gaz réducteurs chauds et, dans le cas du minerai de fer, soient réduites par ces derniers et, finalement, fondues pour rejoindre le bain 20. Il est aussi possible, dans un tel fourneau, d'introduire par une ouverture 28 du minerai de fer pré-réduit ou un mélange pré-réduit de fer et de fondante qui peut-être soufflé dans le fourneau par le vent de gaz réducteur, tel qu'une partie du gaz passant par la cheminée 25 et remise en circulation par exemple au moyen d'une pompe.
Le mélange de fer réduit et de fondant peut être introduit dans le fourneau de manière à être soufflé par la flamme vers le bas, dans les bains fondus du fond du fourneau et le souffle de la flamme peut être réglé de manière à écarter une partie du lai- tier du point d'impact. Mais il est aussi possible d'introduire le minerai de fer pré-réduit ou un mélange pré-réduit de minerai de fer et de fondant dans le bain de fer fondu 20, par exemple par une conduite 29. Dans ce cas aussi,le minerai ou le mélange pré-réduit peut être soufflé dans le four- neau par un vent de gaz réducteur ou de carneau par une tuyère 30. Un moyen destiné à réduire le minerai de fer à l'extérieur de la chambre de fusion est décrit à propos de la figure 3.
De même, il y a une cloche de gueulard 31 destinée à l'introduction des éléments de réglage dans le bain dans le cas où on le désire.
Il est fait référence à la figure 3 qui représente un fourneau 32 du type à bain ou à sole qui, puisque la réduction du minerai de fer est effectuée à l'extérieur de la chambre de fusion, ne doit pas comporter de cheminée allongée. Le bain de fer fondu est indiqué en 33 et le laitier fondu en 34. De même, un brûleur est prévu en 35 et comporte des entrées 36 de gaz naturel, d'huile ou de combustibles pulvérulents et, en 37, pour l'oxygène ou l'air enrichi en oxygène.
La flamme, frappant la surface des bains fondus situés dans le fond du fourneau, produit des produits de combustion de nature réductrice qui s'écoulent vers un carneau 38 pourvu d'une soupape de sûreté 39 et, de là par une conduite 40, vers un appareil réducteur qui va être décrit ci-
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dessous de manière générale.
Une trémie 41 est prévue pour le minerai de fer finement divisé ou un mélange de minerai de fer finement divisé et de fondant, tel que le calcaire ou la chaux calcinée. Le mélange passe dans une conduite 42 où il est entraîné par le gaz comme il est décrit ci-dessous et peut, si on le désire, être conduit à un prébhauffeur et un réducteur indiqué en 43.
Les dispositifs réducteurs représentés fig. 3 sont d'un type dans lequel la matière à réduire est emportée et tenue en état d'agitation par un cou- rant de gaz. Des appareils semblables ont été utilisés pour le cracking de l'huile dans l'industrie pétrolière et ont aussi été suggérés pour la réduction du minerai de fer en fer pulvérulent, si bien que leur nouveauté spécifique n'est pas revendiquée ici. Le réducteur préchauffeur 43 a un corps, comme le montre la figure, dans lequel le mélange de minerai et de fondant tend à s'accumuler comme en 44, tandis que le gaz le traverse et le garde à l'état agité quasi-fluide. Comme la matière s'accumule, elle se déverse dans un passage 45 et est emportée vers le bas, dans une conduite 46 reliée à la conduite 40 de manière qu'elle soit entraînée par le gaz prove- nant du carneau 38.
Elle passe vers un autre appareil réducteur 47 construit semblablement au dispositif 44, la matière réduite ou partiellement réduite se déversant dans le passage relié à une conduite 49 qui est aussi un embran- chement de la conduite 40; elle est entraînée par le gaz s'écoulant dans la conduite 49; la matière réduite ou partiellement réduite peut être entraînée à un autre dispositif réducteur 50 de construction semblable.
Il est évident que le minerai ou le mélange de minerai et de fon- dant doit être traité dans les dispositifs réducteurs 47 et 50 successive- ment, avec l'atmosphère réductrice obtenue de la flamme brûlant dans le four- neau 32 et que la réduction du minerai de fer s'y produit en même temps qu'une calcination du càlcaire si c'est cette matière qui est employée comme fondant. La matière réduite ou le mélange de métal et de fondant, passe de la seconde chambre réductrice 50 par le passage 51, vers une conduite 52 par laquelle il est mené au fourneau pour y être fondu et pour rejoindre le bain.
Il peut être introduit de plusieurs manières ou combinaisons de manières différentes. Par exemple, la conduite 52 peut avoir un raccord 53 avec l'é- lément à brûleur 35, de manière que le mélange réduit puisse être introduit dans le fourneau avec la flamme ou dans cette dernière. De même, il peut ê- tre introduit dans le fourneau par une conduite 54 située au-dessus des bains, maia en une position-telle que la force de la flamme le chasse vers le bas, dans les bains, comme il est décrit ci-dessus. La propulsion du mélange ré- ' duit peut être aidée par un vent de gaz non oxydant passant par une tuyère 55. Conme il est décrit ci-dessus, la matière réduite peut être poussée dans le fourneau sous la surface du bain 33 de fer fondu. Un embranchement 56 relie la conduite 52 à un passage du fourneau 57.
Ici, la matière réduite peut être soufflée sous la surface du bain par un vent de gaz, ainsi que ce fut décrit à propos de la fig. 2, ou elle peut être poussée sous la sur- face du bain par exemple par une vis motorisée 58. Dans les diverses condui- tes de la fig. 3, les cercles qui les coupent représentent des vannes. Plu- sieurs connexions peuvent être prévues, comme le montre la figure, ou l'on peut utiliser un mode simple d'introduction dans le fourneau des matières réduites.
Au lieu d'un bain situé dans le fond du fourneau, le fer réduit, fondu par le contact de la flamme, peut simplement tomber sur la sole et s'écouler dans un récipient séparé par une ouverture convenable, non repré- sentée.
Comme il est indiqué ci-dessus, les gaz réducteurs, provenant du fourneau et pénétrant dans les chambres de réduction 47 et 50, produisent
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une réduction du minerai de fer y contenu. Les gaz, qui peuvent toujours contenir des valeurs réductrices, sont recueillis par une conduite 59 des deux chambres de réduction et passent ensuite par un moyen séparateur, tel qu'un cyclone 60 et un précipiteur électrostatique 61, disposés en série..
Les sorties 62 et 63 pour les solides séparés débouchent dans la conduite
52 et ajoutent simplement au volume du mélange réduit acheminé par cette der- nière conduitee Les gaz provenant des dispositifs séparateurs passent par une conduite 64 vers l'entrée de l'appareil et sont employés à entraîner le mélange frais de minerai de fer et de fondant de la trémie 41 et à le trans- porter dans la conduite 42. Le réducteur préchauffeur 43 décrit ci-dessus n'est pas un élément nécessaire de l'appareil et l'on peut s'en passer si on le désire. Toutefois, si on l'emploie, les gaz des conduites 64 et 42 le traversent et passent ensuite dans un cyclone 65 et un précipiteur élec- trostatique 66, dont les sorties des solides 67 et 68 débouchent dans la conduite 42.
Le gaz provenant des séparateurs 65 et 66 est mené par une con- duite 69 à un refroidisseur ou un laveur de gaz 70 qui sert à éliminer du gaz la vapeur d'eau formée dans la réduction du fer, de manière à rétablir en partie le caractère réducteur des gaz, l'eau de refroidissement étant in- troduite en 79 et évacuée par la sortie 71. Le gaz lavé passe par une con- duite 72 vers l'endroit de son utilisation. Normalement, ce gaz contient des valeurs combustibles qui peuvent être utilisées à préchauffer l'oxygène ou l'air enrichi introduit dans le brûleur 35, ou elles peuvent être uti- lisées dans des chaudières ou des turbines employées à produire l'énergie à toute fin convenable, comme, par exemple, à la production locale de l'oxy- gène.
Une partie des gaz de tête lavés peut toutefois être réintroduite dans le système par une conduite 73 reliant le laveur de gaz à la conduite 40.
Lorsqu'on pratique cela, les gaz de tête lavés et refroidis servent à re- froidir et à diluer les gaz de carneau provenant du fourneau 32. Cela est important, car, bien qu'une agitation fort active soit pratiquée dans les chambres de réduction 43, 47 et 50, la température ne peut s'y élever au point de provoquer l'agglomération du mélange minerai-fondant ou de ses pro- duits de réduction. La réduction du minerai de fer peut se produire effica- cement à des températures bien inférieures au point de fusion du fer. Comme la chose est claire pour tout sidérurgiste compétent, les caractéristiques réductrices de l'atmosphère sont modifiées par la température, spécialement en ce qui concerne l'effet du rapport hydrogène-vapeur d'eau. La caractéris- tique essentielle de l'atmosphère est qu'elle soit gardée réductrice vis- à-vis de l'oxyde de fer et du fer.
Si le combustible consommé est un com- bustible produisant d'assez grandes quantités de vapeur d'eau dans les con- ditions particulières de réduction de la combustion, il peut être réducteur, de manière satisfaisante, à des températures proches de 3000 F et insuffi- samment réducteur s'il est refroidi à la moitié de cette température ou à une température quelque peu supérieure. Dans ces circonstances et dans des circonstances semblables, il est du domaine de l'invention d'augmenter le rapport hydrogène-vapeur d'eau des gaz provenant du fourneau avant leur in- troduction dans les chambres de réduction 47 et 50 en introduisant dans les gaz un gaz réducteur qui peut être l'hydrogène ou un gaz combustible conte- nant de l'hydrogène, tel que le gaz naturel. Une tuyère servant à l'intro- duction du gaz réducteur dans la conduite 40 a été indiquée en 74.
Aux fins de mesure de température, des thermocouples ou d'autres moyens convenables peuvent être prévus dans le système à tous endroits vou- lus. Un thermocouple ou un pyromètre optique 75 a été représenté associé au fourneau 32 et un autre thermocouple 76 a été représenté dans le parcours des gaz de carneau provenant du fourneau 32. La circulation des gaz peut être effectuée ou rendue plus forcée par des pompes de surcharge ou des ven-
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tilateurs. Une telle pompe a été indiquée en 77, en association avec la conduite 73. D'autres pompes peuvent être employées là où on le désire. dans le système. De nouveau, une cloche de gueulard 78 a été représentee associée au fourneau 32 pour l'introduction de matières de réglage dans le fourneau, comme il est dit ci-dessus.
Figure 3, les flèches ont été employées pour indiquer les sens d'écoulement dans les diverses conduites et le four- neau,
Le réglage de la combustion dans le fourneau n'est pas difficile à la lumière des enseignements ici exposés. La température peut être réglée par réglage manuel ou automatique du mélange de combustion. Pour tout com- bustible donné, il est possible de trouver à l'aide d'équations, en tenant compte des volumes de gaz en jeu pour le combustible, l'oxygène ou l'air en- richi employé, la température de préchauffage, la température de la flamme et les caractéristiques réductrices des produits de la combustion. Ces cal- culs ne doivent pas être effectués pour la mise en oeuvre du procédé si l'on dispose des facteurs.
Les combustibles qui peuvent être employés comprennent (1) les gaz combustibles naturels et artificiels tels que le gaz naturel, le méthane, l'éthane, le propane, le butane, l'éthylène, l'acétylène, l'hydro- gène, etc... qui contiennent, en tant qu'éléments combustibles principaux l'hydrogène ou des hydrocarbures, mais en évitant des concentrations quelque peu appréciables de gaz contenant de l'oxygène combiné, tels que l'oxyde de carbone et la vapeur d'eau (2) l'huile ou d'autres hydrocarbures liquides et (3) les combustibles hydrocarbonés solides pulvérisés tels que le char- bon, le coke ou le noir de fumée pulvérisés. Les divers combustibles de cet- te liste sont nommés, pour plus de commodité, "combustibles mobiles", dans les revendications annexées.
Avec tous ces combustibles, la quantité de ma- tière combustible présente par rapport à la matière inerte ou non combusti- ble est telle qu'on peut obtenir une flamme assez chaude avec une combustion incomplète du carbone et de l'hydrogène à la fois, pourvu que la quantité de gaz à chauffer à la température de la flamme par la combustion ne soit pas trop grande. Une flamme dont les produits de combustion sont réducteurs vis- à-vis de l'oxyde de fer est ordinairement obtenue lorsque le rapport CO:CO2 est aussi grand que possible et non inférieur à environ 2 :1 le rapport H2:H2O est de 1:1 ou plus grand.
Comme il a été indiqué, ces conditions peu- vent être réalisées 'avec l'air ordinaire employé comme comburant, en préchauf- fant cet air à des températures de l'ordre de 1500 à 2000 F, mais ces condi- tions peuvent aussi être réalisées par la réduction du volume de gaz inerte dans l'atmosphère employée pour la combustion, c'est-à-dire en enrichissant l'air par l'oxygène. Ainsi, comme il a été aussi dit, aucun préchauffage de l'atmosphère employée pour la combustion n'est requis si la quantité d'oxy- gène y contenue est augmentée à environ 40 % à 50 %. On peut aussi prati- quer ensemble le préchauffage et l'enrichissement et, dans ce cas-, la mesure de l'enrichissement peut être réduite et l'air enrichi ne doit pas être chauf- fé à une température si élevée.
Les températures de la flamme sont aisément mesurables dans le fourneau et la nature réductrice des produits résultant de la combustion peut être déterminée par l'analyse des gaz ou par l'effet de l'atmosphère sur la réduction du minerai de fer à des températures don- nées. Ainsi, à l'aide.d'un moyen de réglage de la quantité d'atmosphère ad- mise par rapport à la quantité de combustible, du degré d'enrichissement de l'atmosphère par l'oxygène et,dans le cas où on l'emploie, du degré de préchauffage de l'atmosphère, l'ingénieur de combustion compétent peut aisé- ment obtenir, à la lumière de ces enseignements, une flamme de la tempéra- ture requise et une caractéristique suffisamment réductrice des produits de la combustion.
Il est maintenant fait référence à la figure 4 qui représente un appareil de cracking d'un des combustibles mobiles convenables susmentionnés,
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l'appareil étant semblable à celui de la figure 3 et des références pareil- les indiquant des éléments pareils. Ainsi, le fourneau du type à bain, indi- qué de manière générale en 32, a une chambre de fusion ou sole 32a sur la- quelle est maintenu un bain de fer 33 et un bain surnageant de laitier 34, à l'état fondu, par la chaleur de la flamme qui les frappe et qui provient du brûleur 35. Dans la réalisation de la figure 4, les produits de'la com- bustion de la flamme pénètrent dans une chambre $0 du fourneau, au lieu de passer par le carneau 38 et la conduite 40 de la figure 3. La chambre 80 est agencée en échangeur de chaleur.
Comme le montre la figure 4, cette cham- bre contient une conduite 81 sinueuse ou en serpentin ou autrement façonnée pour effectuer une transmission efficace de la chaleur. Un combustible mo- bile convenable, tel, par exemple, que le gaz naturel, est introduit dans la conduite 81 d'une source convenable à l'aide de la conduite 82 représentée à l'extérieur du fourneau. Le combustible mobile, sans être exposé aux pro- duits de la combustion de la flamme ou sans s'y mélanger, est donc soumis à une haute température, telle qu'un cracking se produit, le combustible se séparant principalement en ses composants, carbone et hydrogène.
Le combustible mobile craqué ou partiellement craqué quitte le moyen échangeur de chaleur 81 par une conduite 83. Un moyen supplémentaire de cracking ou de chauffage peut être employé, par exemple dans le four 84 pourvu d'une conduite intérieure sinueuse 85. Le four 84 peut être chauffé par la combustion d'une partie des gaz provenant du fourneau 32 (qui, étant de nature réductrice, contiennent des valeurs combustibles) ou par la com- bustion du combustible pris à toute autre source voùlue. A cette fin, on utilise le four 84 pourvu d'un brûleur 86 ayant une entrée 87 du combustible et une entrée 88 de l'air.
Les gaz craqués et chauffés provenant du four 84 sont conduits par la conduite 36 au brûleur 35 du fourneau 32. Dans le brûleur, ils sont mélangés à l'oxygène ou à l'air enrichi en oxygène (préchauffé, si on le dé- sire) pénétrant dans le brûleur par une conduite 37. Une flamme intense est ainsi produite dans le fourneau 32, tandis que les produits de la com- bustion de la flamme restent de nature réductrice.
Dans ce processus, le cracking du combustible mobile absorbe de la chaleur et requiert environ 20 à 30 % de la chaleur totale employée.dans le processus. Il s'ensuit que l'application de cette chaleur au combustible mobile et l'emploi à cet effet de la chaleur sensible provenant des gaz du fourneau 32 ou de la chaleur de combustion de gaz perdus ou d'un autre com- bustible extrinsèque, augmentent le rendement du processus et augmentent la production du fer fondu.
En outre, puisque dans la réalisation de la fi- gure 3, les gaz réducteurs, provenant des produits de la combustion du four- neau 32, sont employés à l'extérieur du fourneau pour réduire le minerai de fer et doivent être refroidis à cet effet depuis la haute température du four- neau à une température voisine de 1300 à 1400 F ou quelque peu plus haute, on voit que la partie de l'appareil décrite à ce point offre un mode de trans- fert de chaleur, direct et utile, aux gaz qui pénètrent dans le brûleur 35.
La température de cracking de la plupart des combustibles mobiles est voisi- ne de 1600 F, si bien qu'on voit que le présent agencement constitue un moyen destiné à retirer une quantité suffisante de chaleur des gaz de fourneau pour craquer le combustible mobile et, en même temps, à réduire la tempéra- ture des gaz de fourneau à une valeur à laquelle une réduction efficace du minerai de fer se produit à l'extérieur du four sans provoquer l'aggloméra- tion du fer réduit au point d'obstruer les tuyaux, les conduites et les cham- bres dans lesquelles a lieu la réduction ou qui conduisent'le minerai de fer réduit ou partiellement réduit.
Un combustible mobile craqué, à des températures voisines du
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point de cracking, est, en lui-même, un réducteur efficace du minerai de fer et peut être employé directement pour une telle réduction, le fer réduit ou partiellement réduit et la gangue étant introduite dans le fourneau 32 par le brûleur 35 avec le combustible et l'oxygène ou l'air enrichi. A cet- te fin, la figure 4 représente un moyen d'introduction dans la conduite 82 de minerai de fer finement divisé et, facultativement, d'un fondant finement divisé, tgl que la chaux. ,Ces moyens ont été schématiquement représentés comme comprenant une trémie 89 destinée au minerai de fer et au fondant, et une vis alimentaire 90 actionnée par un moteur 91 pour produire une alimen- tation uniforme de la conduite 82.
La vitesse des gaz, passant par la condui- te 82 et les dispositifs échangeurs de chaleur et les conduites y associés, suffit à garder le minerai de fer et le fondant suspendus. En fait, on peut aussi introduire, dans le courant de combustible mobile entrant, tout mine- rai de fer et fondant pris à l'appareil de réduction situé à l'extérieur de la chambre de fusion 32a en employant les produits de combustion du four- neau. Ces matières sont représentées comme étant introduites dans la con- duite 82 par une conduite 92. Il est entendu que la conduite 92 contient du minerai réduit ou du minerai et du fondant qui provient de la série des dis- positifs réducteurs 43, 47 et 50 de la figure 3.
Les diverses matières fine- ment divisées introduites dans le courant du combustible mobile et qui pas- sent avec ce dérnier dans l'appareil de cracking sont non seulement soumises à des conditions réductrices, mais remplissent aussi deux fonctions princi- pales. Elles catalysent le cracking du combustible mobile et elles agissent aussi en tant que moyen de nettoyage servant à garder les appareils libres d'accumulations de carbone qui peuvent autrement les obstruer, le carbone provenant évidemment du cracking du combustible mobile.
Dans un procédé dans lequel tout minerai de fer qui doit être in- troduit, l'est tel quel dans le courant de combustible, les gaz de combus- tion provenant du fourneau 32 peuvent être brûlés ailleurs pour réaliser la production utile de chaleur ou peuvent être purifiés et utilisés à diluer le combustible entrant. Toutefois, il est plus économique d'employer les valeurs réductrices des gaz provenant du four 32 pour pré-réduire le minerai de fer, le produit réduit étant alors introduit dans le four avec le combus- tible craqué, comme le montre la figure 3 et comme il est décrit ci-dessus, ou de l'un quelconque des modes directs d'introduction décrit ci-dessus à propos des figures 1 et 2.
Les gaz de fourneau provenant du fourneau 32, figure 4, qui ont été refroidis dans l'appareil échangeur de chaleur 80, 81 comme il est décrit ci-dessus, peuvent être emmenés par la conduite 49, correspondant à la conduite 49 de la figure 3, vers l'appareil préchauffeur et réducteur de la figure 3, où ces gaz peuvent être utilisés de la même manière à suivre le même traitement que celui qui est décrit ci-dessus à propos de la figure 3.
Il est maintenant fait référence à la figure 5 où des éléments pareils ont les mêmes références et ne seront pas décrits de nouveau. Le combustible mobile destiné au brûleur 35 est représenté comme étant craqué dans le four 84; il pénètre dans l'appareil échangeur de chaleur situé dans ce four par une conduite 93. Dans cette réalisation particulière de l'ap- pareil, la partie supérieure 94 du fourneau 32 du type à bain est employée à un usage différent, décrit ci-dessous. Toutefois, ce n'est pas étranger au domaine de l'invention que d'employer une partie de la chaleur sensible des produits de la combustion du fourneau 32 à préchauffer le combustible mobile et à le craquer au moins en partie, comme c'est décrit et représen- té pour la réalisation de la figure 4.
Le cracking peut être accompli avec ou sans l'introduction du minerai de fer et de fondant et/ou de fer complètement ou partiellement réduit et de gangue dans le combustible mo- bile, comme le montre aisément la description de la figure 4, bien que,
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figure 5, un dispositif servant à cet effet n'ait pas été représenté.
Le fourneau 32 a une chambre supérieure 94, reliée à la partie principale du fourneau par une gorge 95 relativement étroitea Dans la pré- sente réalisation de l'invention, la réduction du minerai de fer est effec- tuée dans la chambre 94, mais à l'extérieur de la chambre de fusion 32a di- rectement au moyen des gaz réducteurs qui sont les produits de la combustion de la flamme. Le minerai de fer finement divisé, avec ou sans fondant, est introduit dans la chambre 94 d'une trémie 96, à l'aide d'une vis alimentai- re 97 pourvue d'un moteur 98. Le but de la gorge 95 est d'augmenter la vi- tesse des produits de la combustion passant de la chambre de fusion 32a dans la chambre supérieure 94 de manière à garder les solides finement divisés à l'état suspendu dans la chambre 94.
La vitesse des gaz peut être augmentée plus encore par l'introduction par la conduite 99 de quantités supplémentai- res de gaz réducteur prélevé de préférence des gaz de cheminée, ainsi qu'il va être décrit ci-dessous, ou de gaz réducteur frais, tel que le gaz naturel ou analogue.
Il est entendu que la réduction, dans la chambre 94, a lieu à une très haute température, Il est dit ci-dessus que la température de la flam- me dans le four du type à bain 32 peut être de tordre d'environ 300 F ou da- vantage afin de garder le fer et le laitier dans un état fondu convenable.
Les températures régnant dans la chambre 94 ne sont donc inférieures à envi- ron 3000 F que dans la mesure du refroidissement qui se produit pendant le passage des gaz vers la chambre 94 et dans la mesure du refroidissement par la dilution qui se produit par l'introduction des gaz réducteurs par la con- duite 99. Les températures régnant dans la chambre 94 sont donc assez éle- vées pour produire l'agglomération ou la combinaison des matières réduites.
Il se produit une nodulisation, mais seulement après que la réduction est sensiblement terminée. Lorsque des nodules suffisamment lourds se sont for- més, de sorte que les gaz, portés à leur vitesse spécifique, ne peuvent plus lestenir en suspension, ils tombent à travers la gorge 95 dans la partie principale du fourneau et sont fondus en laitier et fer pour rejoindre les bains 34 et 33.
Bien que, comme il est indiqué ci-dessus, le minerai de fer non réduit et le fondant puissent être introduits dans la chambre 94 et y subir la réduction comme il est dit, le processus a un meilleur rendement si une pré-réduction du minerai de fer est pratiquée selon les réalisations ci-des- sus de l'invention. Il s'ensuit que le demandeur préfère mener les gaz de cette chambre par une conduite 100, un séparateur de poussières 101 et une conduite 102 à un déshydrateur 103. Une pompe du même type 77 (figure 3) peut être employée pour déplacer les gaz et si les gaz sont refroidis, comme quand la déshydratation est accomplie par le refroidissement par l'eau froi- de, il est nécessaire de réchauffer les gaz dans un four, représenté schéma- tiquement en 104.
Les gaz réducteurs déshydratés et chauds sont introduits par une conduite 15 dans une conduite 106 dans laquelle le minerai sec et finement divisé ou un mélange de minerai finement divisé et d'un fondant tel que la chaux est amené par une trémie 107, une vis 108, et un moteur 109. Il est entendu que le moyen d'introduction 107, 108, 109 correspond à la trémie 41 dé la figure 3. Ces solides sont entraînés par les gaz réducteurs chauds et emportés vers un appareil réducteur (non représenté) tel que les chambres 43, 47 et 50 de la figure 3, décrites ci-dessusoLes solides réduits qui en proviennent sont amenés par une conduite de descente 110 comme le sont aussi les solides provenant du séparateur 101 par un embranchement 111. Ces soli- des s'accumulent au-dessus d'une vanne 112 par laquelle ils sont introduits dans la trémie 96.
Il est clair que la descente 110 est reliée à la trémie
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96 par un raccord hermétique, dans la présente réalisation du procédé, pour que les matières réduites ne soient pas exposées de nouveau à l'atmosphère.
L'invention ne se limite pas à la production d'une flamme dont les produits de la combustion réduisent directement et rapidement 1 oxyde de fer aux températures de la flamme ou à des températures inférieureso Il est possible d'utiliser une flamme qui n'est pas de cette nature pourvu que (a) les produits de la combustion soient suffisamment enrichis en gaz réducteur avant leur emploi pour la réduction du fer finement divisé et que (b) des précautions soient prises pour fondre le fer réduit et le recueillir dans le bain sans le ré-oxyder, par exemple en l'introduisant dans le fourneau sous la surface du bain, comme il est décrit ci-dessus, ou (c) qu'on ajoute suffisamment de carbone au bain pour ré-réduire l'oxyde si une certaine oxy- dation est inévitable.
Lorsqu'on ne fait pas usage du préchauffage de l'atmosphère, les fours servant à cet effet ne sont pas nécessaires. Les pertes inhérentes à l'emploi du coke, en tant que combustible, source d'oxyde de carbone et sque- lette de support dans un fourneau à cuve, sont entièrement supprimées comme le sont les pertes inhérentes des valeurs carbone du coke. L'appareil re- quis est plus simple et moins coûteux en premier établissement et en entre- tien et, fait qui dépend dans une certaine mesure de la qualité du minerai, le fer est obtenu à l'état fondu, sans laitier excessif.
Puisque le four est essentiellement du type à bain (par opposition au four du type à cuve) il est possible de retirer le laitier continûment ou à des intervalles fréquents de manière à permettre à la flamme de maintenir d'une manière plus directe- ment efficace le bain de fer à l'état fondu. On peut employer des minerais de qualité plus basse avec un meilleur résultat que dans les processus ordi- naires de réduction et de fusion et un état finement divisé du minerai est avantageux pour la rapidité de la réduction. Il n'y a pas de pertes de fines dans le système selon l'invention, si bien qu'il n'y a pas de frais supplé- mentaires impliqués pour l'agglomération ou la mise en comprimés des matiè- res à minerais.
Selon les prix locaux du combustible et d'oxygène, on peut réaliser de très grandes économies par tonne dans la réduction et la fusion du fer et le procédé permet de fondre économiquement le fer dans des régions où cette production ne pourrait autrement être réalisée
REVENDICATIONS.
1.- Procédé de réduction et de fusion du minerai de fer pour produire un métal fondu, caractérisé en ce qu'il consiste à produire, dans une chambre de fusion de fourneau, à l'aide d'un combustible mobile, une flamme libre ayant une température d'au moins sensiblement 3000 F, dont les produits de combustion sont réducteurs vis-à-vis de l'oxyde de fer, à amener ces produits réducteurs de combustion à réduire le minerai de fer finement divisé, et à introduire la matière ainsi traitée, à l'état de particules, dans ce fourneau, de manière que cette matière y soit fondue par la chaleur de la flamme.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.