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La présente invention a pour objet un procéae de fabrication d'acier par réduction directe de minerai de fer, et un four pour la mise en oeuvre de ce procédé.
La présente invention se caractérise essentielle- ment en ce que l'on opère la réduction.dans un four électri- que à induction.
On opère,de préférence, dans un four à canal, et plus avantageusement encore, dans un four à deux bas- sins reliés par au moins deux canaux formant avec eux au moins un circuit fermé constituant un secondaire de trans- formateur, dont le primaire est alimenté à une fréquence qui sera avantageusement celle du réseau.
Les bassins peuvent, suivant l'invention, être affectés à des opérations métallurgiques différentes : l'un des bassins servant à la carburation du métal, l'autre à la .décarburation. On peut opérer en phase de laitier réducteur basique (désulfurant) dans un bassin, et en phase de laitier oxydant basique (déphosphorant) dans un autre.
La réduction s'opère, suivant une particularité importante de l'invention, principalement par le carbone en solution dans le bain métallique.
Les gaz dégagés, qui constituent au-dessus du bain une atmosphère de CO sensiblement pur, peuvent être recueillis en vue de l'utilisation de leur contenu énergé- tique. Suivant une modalité avantageuse de réalisation de l'invention, les gaz dégagés sont amenés à contre-courant à travers le minerai arrivant au four, et peuvent être brû- lés en présence de celui-ci.
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Le four suivant l'invention comprend, au moins . deux bassins reliés par au moins deux canaux formant avec eux au moins un circuit fermé constituant un secondaire dE! transformateur.
D'autres particularités de l'invention ressorti- ront de la description suivante de diverses modalités du procédé et d'un four donné à titre d'exemple non limitatif et illustré au dessin . Dans celui-ci : - la figure 1 est une coupe longitudinale d'un four suivant l'invention; - la figure 2 est une coupe d'un dispositif d'ali- mentation et d'extraction des gaz, faite 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 représente une coupe d'un four à un seul bassin.
Afin de faciliter l'exposé du procédé suivant l'invention on donnera d'abord une description d'un four suivant l'invention, permettant de mettre en oeuvre le procédé.
Le four donné en exemple se compose d'une enveloppe en acier 1 revêtue intérieurement d'une ou plusieurs couches d'un calorifuge 2 et d'une ou plusieurs couches d'un revê- tement de briques et(ou) pisé basiques 3,3'. Le revêtement est constitué de telle sorte qu'il forme deux bassins 4 et 5 communiquant par les canaux 6 et 7.
La bobine d'induction 8 formant primaire est placé de telle sorte que le bain de métal liquide des canaux et bassins 4 à 7 l'entoure et constitue le secondaire fermé chauffé par le courant induit. A l'intérieur de la bobine se trouve le noyau en fer 9 formant un simple ou double cadre
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fermé passant par l'extérieur et entourant ainsi les canaux 6 et 7, tandis qu'autour de la bobine primaire 8 se trouve une enveloppe 10 en métal non-magnétique à double paroi et à refroidissement par circulation d'eau. La source de courant alternatif alimentant le primaire 8 à la fréquence du réseau est désignée par 30.
Chacun des deux bassins 4 et 5 est fermé par un couvercle 11 et 12 assurant l'étanchéité par l'intermédiaire d'un joint (par exemple joint de sable) 13 et 14. La figu- re 2 qui représente une coupe de la partie supérieure du premier bassin du four, suivant la ligne II-II de la figure 1, s'applique également à la partie supérieure du deuxième bassin munie d'une cheminée 15 et d'une trémie 17, au lieu d'une cheminée 16 et d'une trémie 18.
Les cheminées 15 et 16 sont prévues pour l'évacua- tion des gaz produits par la réaction et les trémies 17 et 18 permettent respectivement l'alimentation en minerai de fer dans le bassin 4 et en carbone dans le bassin 5 ou inver sèment ou en toute addition ou mélange'd'additions dans l'un ou l'autre des deux bassins 4 et 5.
La description du four est exemplative et non limi- tative ; c'est une des réalisations possibles du four à bi- bassin à canaux chauffé par induction à fréquence réseau.
Pour des fours à grande capacité, par exemple 10 t et au- delà, il sera avantageux de prévoir plus d'une bobine et éveil tuellement même plus de deux bassins.
Les fours peuvent être basculants avec déverse- ment par le bec 20 comme montré par les figure?'., ou fixes avec trou de piquée situé de préférence à un niveau légère- ment au-dessus du niveau de la voûte des canaux..
Le procédé exige que le four contienne au départ de l'acier ou de la fonte liquide formant secondaire fermé et de préférence en quantité tell.;= oue les canaux soient
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complètement remplis de façon à empêcher l'introduction dans le canal de l'une quelconque des additions et tout spécialement de laitier.
Bien que, au départ, la composition du bain de fer ne soit pas imposée, il est préférable de partir d'un bain de fer contenant, déjà du carbone ; régime ce sera évidem- ment le fond d'acier liquide de l'opération précédente, étant donné qu'on aura eu soin de ne pas vider complètement le four pour que dans la position horizontale ou position de travail du four, le niveau de métal liquide dépasse celui de la. partie supérieure des canaux.
Pour commencer l'opération de fusion réductrice, on alimente progressivement suivant un rythme en rapport a- vec la capacité de l'installation le bassin 4 en minerai de fer et le bassin 5 en carbone (figure 1).
Dans le bassin 4, les réactions sont en ordre prin- cipal des réactions de réduction directe en partie dans la phase métal liquide et en partie à l'interface oxyde de fer liquide ou solide - bain métallique, suivant : ,
FeC + C = Fe + CO
Fe3O4 + 4 C = 3 Fe + 4 CO
Fe2O3 +3C = 2 Fe + 3 CO
Comme la température est très élevée, soit 1300 à 1700 C, mais de préférence 1500 à 1600 C, le produit ga- zeuc de la réaction est sensiblement du CO pur.
Ce CO étant fortement réducteur vis-à-vis des oxydes de fer, il y aura accessoirement des réductions indirectes suivant :
3 Fe2O3 + CO = 2 Fe3O4 + CO2
Fe304 + CO = 3 FeO + CO2
FeO + CO = Fe + CO2
Mais dans l'ensemble, on peut considérer que, vu la rapidité de l'opération, les réductions sont principale- ment directes.
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Cependant, si on désire favoriser les réactions indirectes on peut, suivant un autre mode de réalisation, supprimer la cheminée 16 (et éventuellement aussi la che- minée 15 et établir une communication à travers le réfractai- re entre les enceintes 5 et 4 à un niveau au-dessus du niveau maximum des charges) et faire passer les gaz à tra- vers le minerai contenu dans la trémie; ceci n'est possible que lorsque le minerai est en morceaux de façon à ce que la charge présente une perméabilité suffisante.
Lorsqu'on.opère ainsi, il y aura un échange d'é- nergie entre les gaz ascendants et la. charge descendante.
Tout d'abord, les gaz céderont une partie de leur chaleur sensible au minerai; en second lieu, il y aura réduction du minerai par le CO suivant les réactions de réduction indi- recte qui, comme on le sait, sont légèrement exothermiques.
Ce mode opératoire conduit' donc à l'utilisation ' immédiate et directe, c'est-à-dire dans l'installation de' fusion réductrice, d'une partie plus ou moins importante des chaleurs sensible et latente du gaz produit par la réac- tion de réduction directe.
Le taux de réduction du minerai par la phase ga- zeuse sera très variable suivant la nature et la granulomé- trie du minerai; souvent les minerais très riches sont très compacts et dans ce cas, leur réductibilité par réducteurs gazeux est mauvaise.
Lz réductibilité du minerai constitue donc un des critères pour l'adoption de la variante décrite ci-des- sus, variante qui ne se rapporte d'ailleurs qu'au mode d'éva- cuation des gaz et au mode d'utilisation de l'énergie qu'ils contiennent.
Un autre critère est celui du mode d'utilisation finale, c'est-à-dire hors de l'installation de fusion, de
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l'énergie encore contenue dans.les gaz produits par la ré- duction directe ; exemple, si ces gaz doivent être sto- ckés, il peut être avantageux de les refroidir immédiatement en les faisant passer sur le minqrai plut8t que par un récu- pérateur ou régénérateur, assurant le réchauffage d'air se- condaire.
Il en résulte donc que même dans le cas où la rédud -tibilité du minerai utilisé est très mauvaise et que, de toute façon, le taux de réduction serait faible ou négligea-' ble même à cause de cette mauvaise réductibilité d'une part, et d'autre part, à cause d'une température et d'une durée de contact insuffisantes, il peut y avoir intérêt à faire passer les gaz à travers' la charge de minerai.
Suivant une troisième variante, non en ce qui con- cerne l'opération elle-même, mais uniquement le mode d'utile sation de l'énergie contenue dans les gaz produits par la réaction de réduction directe, on peut adjoindre à l'instal- lation du four électrique un four rotatif dans lequel le minerai circule à contre-courant des gaz pour être finale- ment déchargé dans le four.
Dans la partie du four rotatif proche du four électrique, le minerai sera réduit partiellement --- -- par le gaz CO; vers le milieu de la longueur du four rotatif on peut introduire de l'air secondaire préchauffé ot non et brûler le reste du C0, et préchauffer ainsi le mine- rai par la chaleur sensible des gaz de combustion, tandis que l'air secondaire lui-même peut être préchauffé par les gaz de sortie du four rotatif.
Pareil mode d'utilisation peut être préféré dans tous les cas où, pour une raison quelconque, on ne désire pas convertir en énergie électrique, l'énergie contenue dan les gaz produits par la réduction directe-
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Au point de vue consommation totale a'energie par , tonne d'acier produit, il n'y a guère de différence entre les trois variantes d'utilisation de l'énergie contenue dans les gaz,produits par la réduction directe.
Dans l'une ou l'autre des variantes d.u mode opê- ratoire en ce qui concerne le bassin 4 ou le bassin de réduc- tion du minerai, l'alimentation en carbone se fait dans le bassin 5 et dans ce bassin il y a dissolution du carbone dans le bain métallique.
Le mouvement de brassage du métal, tant dans les bassins que dans les canaux, et la très grande valeur du coefficient de diffusion du carbone dans le fer liquide, assurent l'homogénéisation du métal liquide, ce qui revient à dire : transport-du carbone mis en solution dans le bassin 5 etréagissant avec l'oxygène du minerai dans le bassin 4.
Le fer produit se dissout dans le bain et le niveau du métal liquide augmente progressivement jusqu'aux taux de remplissage admissible ; moment est venu de régler la position finale, éventuellement par des additions conven@@@les, et bien entendu, après avoir arrêté l'alimentation en minerai et autres additions d'élaboration.
Il est d'autre part évident qu'en vue d'obtenir un acier de haute pureté ou même un produit intermédiaire, par exemple un bain de 0,5% de C, dont l'affinage final et le raffinage seront poursuivis dans un second four qui sera par exemple un four électrique à arc,. on a intérêt à partir de matières premières de choix, comme du minerai très riche : 65 à 70% de Fe, pauvre en S et en P et de carbone pur comme par exemple le charbon de bois ou du graphite d'électrode ou tout autre source de carbone, le colce et l'anthracite n'étant pas exclus.
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L'intérêt de l'emploi d'un minerai très riche résul- te de la nécessité de limiter la quantité de laitier en rap- port d'une part avec la rapidité de l'opération et d'autre part l'intérêt qutil y a de protéger le revêtement; dans ce hut, il sera d'ailleurs souvent indiqué, et surtout dans le cas où la gangue du minerai est acide, de procéder à des ad- ditions de chaux, dolomie ou magnésie ou leurs mélanges; pa- reilles additions judicieusement dosées auront le double ef- fet de protéger le revêtement basique et de parfaire la dé- phosphoration.
Dans un même ordre d'idées, les mêmes additions basiques et (ou) des additions de carbure de calcium assu- reront dans le bassin 5 la protection du revêtement et sur- tout la désulfuration.
Lorsque la carburation se fait avec du coke ou toute autre source de carbone et (ou) lorsque le minerai n'est pas très pur en soufre et. que l'on désire produire directement, c'est-à-dire : dans le four de réduction même, un acier très pauvre en soufre, il sera indispensable de former un laitier basique réducteur dans le bassin de carbura -tion. Au point de vue vitesse de carburation et par consé-. quent vitesse globale de l'opération, la conséquence en sera fâcheuse. On peut y remédier partiellement en divisant le bassin de carburation en deux ; dansl'in des compartiments on opère la carburation sur bain nu en ayant soin d'évacuer de temps à autre les cendres du produit de carburation ; dansl'autre compartiment, on opère alors sous laitier basique réducteur avec un grand excès de carbone.
Dans un four multi- bassin, on peut réserver un bassin pour la carburation sur bain nu et un autre pour la désulfuration sous laitier basi- que et réducteur.
Le mode opératoire décrit comme mode préféré (et
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ce mode comprend les troisvariantes principales décrites précédemment) permet donc, grâce au four à bi-bassin ou éventuellement multi-bassin, d'opérer à la fois et simultané- ment la déphosphoration et la désulfuration.
Le procédé, comportant une ébullition du début jusqu'à la fin et mettant le bain métallique en contact avec une atmosphère gazeuse composée presqu'exclusivement de CO, garantit la production d'un acier très pauvre en gaz hydrogè- ne et azote.
Comme autres modes opératoires, mais de préféren- ce toujours dans les fours à induction à canal, on peut adopter de nombreuses variantes; on en citera quelques*unes.
On peut, par exemple, procéder aux additions si- multanées de minerai, de carbone et de calcaire dans le bas- sin 4 et à des additions de carbone ou de "carbone + addi- tions basiques" dans le bassin 5.
On peut aussi faire lès mêmes additions dans les deux bassins mais dans ce cas le four bi-bassin pourra avali- tageusement être remplacé par un four à un bassin à canal fermé tel celui représenté schématiquement par la figure 4, et décrit déjà antérieurement dans la demande de brevet bel- ge n 439.386 du 19 avril 1957, pour : "Procédé d'élabora- tion rapide d'acier à partir de fonte et four pour sa réali- sation".. Les notations adoptées à la figure 4 sont homolo- gues de celles adoptées aux figures 1, 2, 3.
Cependant, les derniers modes opératoires et en particulier celui dans le four mono-bassin, tout en parais- sant à première vue plus simples, sont nettement moins avan- tageux au point de vue métallurgique car ils ne permettent guère de désulfuration ni de déphosphoration. D'autre part, le fait d'opérer avec un mélange de carbone et de minerai conduit à un entraînement de quantités importantes de pous-,
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sières de carbone ; en résulte la nécessité d'épurer les gaz et une difficulté opératoire au point de vue dosage de l'addition du carbone dans le mélange minerai, carbone et autres additions.
On peut cependant envisager l'utilisation d'un four à bassin unique pour traiter des minerais très purs en S ou en P ou lorsqu'on opère en duplex : c'est-à- dire en introduisant le métal liquide du four à induction dans un four à arc basique et en opérant, suivant le mode classique, la déphosphoration et la désulfuration.
L'exposé qui précède suffit amplement à montrer les grandes possibilités du nouveau procédé ; sont exceptionnelles lorsquôon dispose de minerais très riches et purs, et de charbons de bois par exemple comme source de carbone ; ces conditions se trouvent réunies dans certaines régions comme en Suède, en Norvège, au Brésil et autres régions d'Amérique du Sud, en Espagne, etc...
Tout d'abord, il apparaît clairement que par.rap- port aux procédés classiques les investissements nécessaires à l'application du nouveau procédé sont dérisoires.
Il en est de même du coût de la production qui est extrêmement avantageux ainsi que le montrent le bilan des matières et les bilans calorifique et énergétique dunouveau procédé.
BILAN DES PRINCIPALES MATIERES PREMIERES.- Par tonne d'acier liquide : - environ 1500 kg de minerai à 67% Fe (65 à 70% Fe) ( p. ex. Kiruna A) - environ 320 kg de carbone - environ 350 kWh (voir bilan énergétique)
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Bilan calorifique.-
La réduction directe étant pratiquement neutre à 1600 C au point de vue énergétique, l'énergie calorifique nécessaire à la production d'une tonne d'acier liquide à 1600 C est représentée avec une très bonne approximation par la chaleur sensible des produits qui sortent de l'enceint te du four, soit
1 t d'acier à 1600 C 320.000 kcal
760 kg ou 600 Nm3 ou 26.800 Mois de CO à 1600 C :
26.800 x 12.5 335.000 kcal
150 kg de laitier (grand maximum)
150 x 400 60.000 kcal
Total 715.000 kçal REMARQUE.- avec un minerai exceptionnellement riche, tels certains minerais brésilien s à plus de 69% de Feet moins de 1% de gangue, on aurait au maximum 25 à 35 kg de laitier par tonne d'acier et 10.000 à 14.000 kcal cornue chaleur to- tale du laitier contre respectivement 100 kg à 150 kg de laitier et 40000 à 60.000 kcal tels que les maxima admis dans l'exemple ci-dessus.
Bilan énergétique.-
L'énergie est à livrer sous forme d'énergie élec- trique, soit :
715.000 kcal
864 kcal x r1 x r2 où : 864 kcal représente l'équivalent calorifique de 1 kWh r1 représente le rendement électrique de l'installation r représente le rendement calorifique du four
Pour un four de 5 t au moins, le produit r1 x r2 sera égal ou supérieur à 0,72. Il en résulte que par tonne d'acier produit il faut livrer :
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715.000 = env. 1150 kWh
864 x 0. 72
D'autre part, on récupère : - la chaleur latente de 760 kg = 600 Nm3 de CO : 1.800.000 : kcal.
- 60% de la chaleur sensible du CO : 0. 6 x 335.000 : 201. 000 kcal.
Total : 2.001.000 kcal
Cette énergie calorifique transformée en énergie électrique (chaudière de récupération et turbine, ou, de préférence : turbine à gaz ) peut livrer : 2.001.000 = environ 800 kWh.
2.500
Il en résulte un déficit en énergie de : 1150 - 800 = 350 kWh par tonne d'acier.
C'est la valeur reprise au bilan des matières premières.
Le nouveau procédé, faisant l'objet de la présente invention permet donc de réaliser de très substantielles économies par rapport aux procédés indirects de fusion réduc- trice au haut-fourneau suivie d'un des procédés classiques d'affinage de la fonte.
REVENDICATIONS.-
1.- Procédé de fabrication d'acier.par réduction directe de minerai de fer, caractérisé en ce que l'on opère dans un four électrique à induction.