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L'invention a pour objet un procédé pour la préparation des fines d'oxyde de fer utilisés dans la fabrication de l'acier, et le produit ainsi obtenu.
Bien que l'invention ne soit pas limitée à un procédé particulier quelconque de fabrication de l'acier, le produit obtenu convient particulièrement bien à l'emploi connue composant introduit dans un four à sole, ou four Martin. Il est cependant évident que l'on peut aussi avantageusement utiliser le produit dans d'autres procédés, par exemple au four électrique. Il est connu qu'une char- ge de four Martin comprend des déchets de ferraille, du minerai de fer, et de la gueuse de fer fondu (-métal chaud") en proportions
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variables. Le minerai fournit de l'oxygène, pour l'oxydation des impuretés des déchets et du "métal chaud", et, bien entendu, contri- bue à la production d'acier.
Il est courant d'introduire le minerai en deux stades, à savoir, une "charge initiale" de minerais, au début, et du "minerai d'alimentation" vers la fin de chaque période de chauffage. L'introduction du minerai d'alimentation a pour but de régler la composition finale de l'acier avant qu'il soit coulé.:
L'invention a pour objet un procédé continu de réduction directe pour transformer des fines d'oxyde de fer en un produit synthétique qui remplace à la fois les déchets et le minerai dans la charge pour la fabrication.de l'acier-
L'invention a également pour'objet le produit constitué par un oxyde de fer partiellement réduit qui peut remplacer à la fois les déchets et le minerai dans la charge pour fabrication de l'acier, et qui apporte de l'oxygène à la charge sous la forme de l'oxyde de fer le plus près possible du fer métallique, c'est-à-dire de l'oxyde ferreux.
L'invention a aussi pour objet un procédé continu de réduction directe pour transformer des fines d'oxyde de fer en un produit utilisable comme composant dans une charge pour' fabrication 'de l'acier, dans lequel les fines sont partiellement réduites en deux phases, de manière à laisser les teneurs en fer et en oxygène équivalentes aux teneurs combinées en ces produits des déchets et minerais remplacés dans le chargement du four, et les fines réduites sont agglomérés, sans,ré-oxydation.
Enfin, l'invention a encore pour objet un procédé direct en deux stades 'pour réduire partiellement les fines d'oxyde de fer en un produit utilisable comme composant d'une charge dans la fabri- cation de l'acier, dans lequel on utilise les gaz réducteurs d'une manière plus efficace qu'antérieurement, et en plus faible propor- tion moléculaire, par rapport à la fois à l'oxyde traité et au produit obtenu.
Au dessin annexé: la fig. 1 représente schématiquement le procédé direct
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en deux stades de réduction partielle conformément à la présente invention; la fig. 2 représente schématiquement une variante du, procédé illustré par la fig. 1, et la fig. 3 est un graphique montrant les constantes d'équi- libre pour les diverses températures de réactions intéressant le procédé.
La matière de départ pour la mise en oeuvre de 1* invention peut être. n'importe quelle matière finement divisée qui' contient des oxydes de fer de degré élevé (Fe203 ou Fe4). On peut avanta- geusement utiliser dans le procédé des fines de minerai ou des con- centrés de taconite trop fins pour être. utilisés dans un four Martin ou dans un haut-fourneau sans une agglomération préalable.
Cependant on peut aussi obtenir une matière de départ appropriée en broyant une matière à gros grain pour lui donner la finesse désirée (moins de 9,5mm, ou plus fin). On peut aussi utiliser des matières de qualité inférieure, bien qu'il soit préférable 'd'avoir une matière ne contenant relativement pas d'impuretés indésirables ou devant être éliminées au four Martin.
Dans la mise en oeuvre du procédé représentée schématique- ment dans la fig. 1, on réduit partiellement la matière de départ dans d.es appareils'de réaction primaire et secondaire 10 et 12, qui peuvent être de n'importe quelle construction connue, dans lesquels des courants de gaz ascendants peuvent maintenir des lits de matières solides "fluidisées" c'est-à-dire à l'état finement divisé , . analogues à un fluide. Les deux appareils de réaction peuvent être logés soit dans un récipient commun séparé de manière appropriée, soit dans des récipients séparés.
L'oxyde de fer fine- ment divisé utilisé comme matière de départ est amené en continu dans l'appareil primaire de réaction, où il est réduit en un produit intermédiaire consistant principalement en FeO et ne contenant que de faibles quantités d'oxydes supérieurs ou occasionnellement de, fer métallique La totalité du produit intermédiaire formé est
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amenée en continu à l'appareil secondaire de réaction où il est réduit dans une mesure d'environ encore 55 à 90%, ou de préférence d'environ encore 60 à 85%.
Si le fer de la matière de départ-est exclusivement sous forme de Fe203, la réduction dans les deux stades enlève environ 70 à 94% de l'oxygène initialement présent dans la matière de départ, ou de préférence environ'75 à 90%. Si Fe3O4 , est présent, le pourcentage de réduction, basé sur la matière de départ, est bien entendu d'autant plus faible. Pour effectuer une réduction partielle plutôt aucune réduction totale, on amène sur l'oxyde de fer une plus faible proportion moléculaire de réducteur qu'il ne serait nécessaire pour une réduction totale.
Par.rapport au produit débarras s.é de la gangue, le produit final contient environ de 5 à 15% d'oxygène utilisable, ou de préférence de 7 à 12%, et le reste est constitue par du fer et des impuretés accidentelles.
Le gaz réducteur pour effectuer ces stades de la réduction circule en continu à contre-courant du courant d'oxyde de fer; c'est-à-dire que le gaz réducteur frais est introduit en continu dans l'appareil secondaire de réaction, et le gaz qui sort de l'appareil secondaire est introduit continuellement dans l'appareil primaire de réaction. Le gaz réducteur est, de préférence, de l'hy- drogène, de l'oxyde de carbone, ou un mélange de ces gaz. Avec des compositions de gaz qui conduisent à des réactions endothermiques, la chaleur nécessaire peut être fournie par n'importe quel moyen approprié connu, par exemple en préchauffant à la fois l'oxyde de fer et le gaz réducteur.
Le gaz qui sort à la fin de la réaction peut être utilisé de toute façon désirée, cependant, de préférence, on le régénère et on.le réutilise dans le procédé de réduction.
Les limites pratiques de température pour les deux appa- reils de réaction sont d'Environ 593 C à 760 C, la température préférée étant d'environ 704 C. Théoriquement, la limite inférieure de température est déterminée par la température la plus basse qui laisse un pouvoir réducteur suffisant au gaz qui sort de l'appareil secondaire de réaction pour réduire la quantité requise d'oxydes
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supérieurs en FeO dans l'appareil primaire de réaction suivant la constante d'équilibre applicable, comme expliqué ci-après. La limite supérieure de température est déterminée par la température maximale qui ne provoque pas une agglomération des particules réduites, en arrêtant la fluidisation.
La température d'agglomération, ou de collage varie avec les conditions de réalisation, par exemple le type de rainerais, la dimension,des particules, la composition du gaz réducteur. Lorsque le gaz réducteur 'est un mélange type de CO et H2, on peut maintenir des températures appropriées dans l'appareil de réaction en préchauffant le gaz réducteur à environ 816 à 927 C et l'oxyde de fer de départ à environ 871 à 9$2 C.
Dans le mode opératoire codifié représenté schématiquement dans la fig. 2, une partie du produit intermédiaire sortant de l'appareil primaire de réaction 10 by-passe, c'est-à-dire ne travers); pas l'appareil secondaire de réaction 12. Le reste s'écoule en continu dans l'appareil secondaire:de réaction où il est totalement réduit en fer métallique. La partie dérivée .et la partie complète- ment réduite sont introduites dans un mélangeur 13. Pour obtenir le même pourcentage de réduction et la même teneur en oxygène dans le produit final' que dans le premier mode opératoire, la partie dérivée doit constituer de 15 à 65% en poids du produit intermédiaire Les gaz réducteurs et les températures sont les mêmes que dans le premier mode opératoire.
Le produit partiellement réduit sortant de l'appareil secondaire de réaction 12 (fig.l) ou du mélangeur 13 (fig.2) est introduit dans un dispositif d'agglomération 14. Ce dispositif peut être n'importe quel appareil connu d'agglomération de fines sans ré-oxydation, par exemple une machine à faire les briquettes. On peut effectuer l'opération d'agglomération soit avec le produit chaud, soit avec le produit froid, et si nécessaire dans une atmos- phère inerte. Les produits agglomérés doivent posséder une résistance mécanique, suffisante pour pouvoir être traités au four Martin sans
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se disperser immédiatement.
En général, on peut' former des briquette: de résistance et de densité suffisantes avec le produit partielle- ment réduit obtenu conformément au procédé de l'invention par la seule action de la pression sans addition d'aucun liant. néanmoins, on peut ajouter, un liant si l'on veut, pour autant que celui-ci n'introduis* pas d'impuretés indésirables telles que du soufre.
Dans les deux variantes, on maintient dans les deux appareils à réaction des conditions opératoires qui limitent prati- quement les réactions de réduction dans l'appareil primaire de réaction à :
EMI6.1
Dans l'appareil secondaire de réaction, les réactions de réduction sont :
EMI6.2
Au fur et à mesure que ces réactions progressent, les constituants réducteurs du gaz sont consommés, alors que les produits d'oxydation CO@ et CO2 se forment. Dans chaque cas, les rapports CO2/CO et H2O/H2 peuvent atteindre des valeurs suffisamment élevées pour que la réaction s'arrête en fait, et les substances qui réagissent sont en équilibre.
Dans la fig. 3, les courbes K1 et K2 représentent les rapports maximaux de CO2/CO et H2O/H2 respecti- vement que le gaz réducteur peut contenir tout en restant capable de réduire FeO en fer métallique. De même, les courbes K3 et K4 représentent les rapports maximaux pour la réduction des oxydes supérieurs en FeO. En restant dans les limites pratiques de tempéra- ture indiquées ci-dessus, K3reste au-dessus de K-. , alors que K4
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reste au-dessus de K2; par conséquent, le gaz sortant de l'appareil secondaire de réaction conserve un pouvoir réducteur suffisant pour réduire les oxydes supérieurs en FeO, mais est inefficace dans la production de fer métallique. Daris le gaz réducteur frais CO2 et H2O sont en quantité minimale, ainsi les rapports CO2/CO et H2O/H2 sont bien au-dessous de K1 et K2.
Dans les deux appareils réaction, les conditions sont réglées de manière à maintenir les substances qui réagissent en contact pendant assez longtemps pour se rapprocher des conditions d'équilibre, et dans les gaz qui sortent, les rapports sont aussi proches que possible des courbes respectives.
Un procédé de réduction totale en deux stades permet une meilleure utilisation des gaz réducteurs qu'un procédé en un seul stade, du fait que les gaz qui sont incapables de produire du fer métallique à partir de FeO sont employés utilement pour, la produc- tion de FeO à partir d'oxydes supérieurs. Le procédé de réduction partielle en deux stades permet même -une meilleure utilisation des gaz réducteurs qu'un, procédé de réduction totale en deux stades.
Quand la réduction est totale,' le gaz qui sort de 1' appareil secondaire de réaction contiant plus de constituants réducteurs que les réactions dans l'appareil primaire de réaction n'en utilisent. Par conséquent, .les dernières réactions ne peuvent atteindre l'équilibre; théorique- ment, une mole de gaz réducteur peut produire 0,3 mole de fer métal- lique. Dans le procédé suivant l'invention, le rapport moléculaire gaz réducteur/produit, plus faible dans l'appareil secondaire de réaction produit une plus faible proportion de gaz qui s'écoule vers l'appareil primaire de réaction, et la consommation des constituants réducteurs dans l'appareil primaire de réaction peut être plus pro- che de la totalité.
Donc les Réactions,' aussi bien dans l'appareil primaire que dans l'appareil secondaire de réaction, peuvent se rapprocher de 1 équilibre. Une mole de gaz réducteur peut produire jusqu'à environ 0,5 mole de produit partiellement réduit. Les deux variantes de l'invention permettent d'obtenir cet avantage.
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Quand on effectue le procédé préféré de réduction en deux stades, la plus grande partie de l'oxygène utilisable dans le produit est combinée avec le fer à l'état de FeO et seules de faibles quantités des oxydes supérieurs de fer peuvent être présentes. Dans un four Martin, les oxydes supérieurs doivent d'abord être réduits en FeO, avant qu'ils puissent oxyder des impuretés telles que le carbone de la charge, et les réactions de réduction de ces oxydes en FeO sont endothermiques.
Le procédé permet d'effectuer cette réduction avant que le produit n'atteigne le four Martin et ainsi lui conserve la chaleur..Pour réduire les oxydes supérieurs en FeO, le procédé utilise une énergie de réduction qui, autrement, serait perdue; ainsi le procédé apporte;plus qu'un simple transport du lieu de la réaction de réduction du four Martin à un autre appareil de réaction. Dans le produit, l'oxygène a une dispersion maximale partout dans le métal. Cette dispersion améliore la conductibilité thermique du produit et permet là transmission de chaleur dans, une charge plus rapidement et plus efficacement que dans les charges classiques antérieurement utilisées, dans lesquelles le Minerai de fer et les déchets sont introduits séparément.
De préférence, on utilise le produit rapidement après sa préparation pour être sûr que l'oxyde ferreux ne se décompose pas et qu'il ne se produit pas de ré-oxydation.
A titre d'exemple illustrant l'invention, on donne ci-après ce que peut comprendre la charge dans un four Martin:
Quantité de produits métalliques par tonne de lingot en kg.
EMI8.1
<tb>
" <SEP> métal <SEP> chaud <SEP> " <SEP> 600
<tb>
<tb> déchets <SEP> 450
<tb>
<tb> charge <SEP> initiale <SEP> de <SEP> minerai <SEP> 75 <SEP> (poids <SEP> brut <SEP> 125 <SEP> kg <SEP> à
<tb> 60 <SEP> % <SEP> de <SEP> fer)
<tb>
<tb> minerai <SEP> d'alimentation <SEP> 10 <SEP> (poids <SEP> brut <SEP> 16,6 <SEP> kg <SEP> à
<tb> 60 <SEP> % <SEP> de <SEP> ferj
<tb>
<tb> alliages <SEP> 15
<tb> 1150
<tb>
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Si le minerai initial contient 75 kg de fer sous forme de FeO ce minerai fournit environ 32 kg d'oxygène par- tonne 'de lingot, et le minerai initial et les déchets fournissent ensemble 525 kg de fer.
Si le produit synthétique de l'invention remplace les déchets et le minerai initial en totalité, sa. composition devrait comprendre le fer et l'oxygène utilisable dans ces mêmes proportions.
Les fines de minerai utilisées comme matières de départ pour le produit synthétique peuvent avoir l'analyse suivante:
EMI9.1
<tb> Pour <SEP> cent
<tb>
<tb> Fer <SEP> 58,2
<tb>
<tb> Oxygène <SEP> utilisable <SEP> 24,9
<tb>
<tb> Gangue <SEP> 2,4
<tb>
<tb> Perte <SEP> au <SEP> feu <SEP> 14,5
<tb> 100,0
<tb>
Le poids de fines de minerais nécessaire pour fournir suffisamment de fer pour remplacer le minerai initial, et les déchets est d'environ 900 kg par tonne de lingot. Le poids d'oxygène utilisable dans ce poids de fines non réduites est d'environ 225kg.
La réduction totale pour cent nécessaire pour donner la quantité appropriée d'oxygène dans le produit de l'invention est d'environ 86% de- celle de la matière de départ, ou une nouvelle réduction d'environ 79% après réduction de la matière de départ en FeO. La. composition du produit synthétique qui remplacerait les déchet?: et le minerai initial dans ce cas est, pour une tonne de minerais
EMI9.2
<tb> kilog.
<tb>
<tb>
Fer <SEP> 525
<tb>
<tb> Oxygène <SEP> utilisable <SEP> 32
<tb>
<tb> Gangue <SEP> 21,5
<tb> 573,5
<tb>
Par rapport au produit .débarrassé de la gangue ce produit contient environ 94% de fer et 6% d'oxygène utilisable sous forme de FeO. Si on désire ne remplacer qu'une partie des déchets ou du minerai initial, ou remplacer une partie du minerai d'alimentation
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par le produit synthétique de l'invention, le poids de matière nécessaire et la réduction pour cent peuvent être déterminés de manière analogue.
Le tableau suivant montre l'efficacité d'utilisation du gaz réducteur que le procédé suivant l'invention permet d'obtenir.
Dans ce cas, on a utilisé le mode opératoire représenté dans la Fig. 1, l'hydrogène seul comme gaz réducteur, la température de réaction de 704 C, la matière de départ Fe293, et la réduction de 75% en se basant sur la teneur initiale, en oxygène de la matière de départ.
EMI10.1
<tb>
Volume <SEP> de <SEP> gaz <SEP> de <SEP> départ <SEP> 1 <SEP> mole <SEP> H2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Alimentation <SEP> 0,24 <SEP> mole <SEP> Fe2O3
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Composition <SEP> d'équilibre <SEP> à <SEP> 704 C
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> pour <SEP> la <SEP> réaction <SEP> FeO <SEP> 'en <SEP> Fe <SEP> 0,3 <SEP> mole <SEP> H2O
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Gaz <SEP> réducteur <SEP> utilisable:
<SEP> pour
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> la <SEP> production <SEP> de <SEP> Fe <SEP> 0,3 <SEP> mole
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Quantité <SEP> maximum <SEP> de <SEP> Fe <SEP> métalli-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> que <SEP> produit <SEP> 0,3 <SEP> mole
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> FeO <SEP> dans <SEP> le <SEP> produit <SEP> oel8 <SEP> mole
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Produit <SEP> total <SEP> 0,48 <SEP> mole
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Réduction <SEP> en <SEP> pour <SEP> cent <SEP> par <SEP> rap-
<tb>
<tb>
<tb> port <SEP> à <SEP> la <SEP> matière <SEP> de <SEP> départ <SEP> 75 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Gaz <SEP> sorti <SEP> de <SEP> tout <SEP> l'appareillage
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> de <SEP> réduction <SEP> 0,54 <SEP> H2O
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,
46 <SEP> H2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Composition <SEP> d'équilibre <SEP> à <SEP> 704 C
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> pour <SEP> Fe3O4 <SEP> et <SEP> FeO <SEP> 0,54 <SEP> H20
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,46 <SEP> H2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Utilisation <SEP> pour <SEP> cent <SEP> du <SEP> gaz
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> réducteur <SEP> à <SEP> l'équilibre <SEP> 100 <SEP> % <SEP>
<tb>
On peut déterminer de la même manière l'utilisation de ger pour divers mélanges de CO avec l'hydrogène, et pour d'autres pourcentages de réduction.
Il ressort de la description ci-dessus que l'invention permet, à la fois, une méthode simple pour remplacer le minerai
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et les déchets dans la fabrication de l'acier et l'obtention d'un produit de remplacement utile. La matière utilisée doit être agglomérée d'une manière quelconque avant de pouvoir être introduite dans un four Martin ou un haut-fourneau. L'invention évite la dépen- dance où étaient les fabricants d'acier de la qualité des déchets de métal et des types spéciaux de minerais, et facilite le réglage., car les dimensions et la qualité du produit sont uniformes. Les frais de manipulation sont moindres, car on ne charge dans le four qu'une seule matière, au lieu de deux ou trois.
On a décrit les moyens préférés de mise en oeuvre de la présente invention, mais des,modifications peuvent être apportées sans changer le procédé ci-dessus décrit, et rentrent dans le cadre de la présente invention.