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Il est connu que la réduction doxyde de fer par un gaz'' réducteur, tel que de l'hydrogène ou oe l'oxyae de carDone se développe plus rapidement si l'oxyde est sous forme de petites particules que s'il est sous forme de gros morceaux d'un pouce ou plus de dimension transversale.
On a , en conséquence, propose ' de réduire les oxydes de fer pulvérulentssous la forme d'un lit fluidifié par 'pas- sage ascendant, à travers ces oxydes, de l'agent réducteur ga- zeux à une vitesse suffisante pour maintenir les oxydes dans un état turoulent, mais pas suffisamment élevée pour chasser toutes les particules hors du lit.
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On a trouvé cependant, lorsque de tels lits fluidifiés sont utilisés à des températures suffisamment élevées pour don- ner un taux utile de réduction, qu'après que l'oxyde n'a été que partiellement réduit en métal, les particules tendent à associer et à s'agglomérer. Il en résulte que la fluidification cesse rapidement et que le lit peut devenir presque solide, en reportant le procédé de réduction virtuellement à une extrémité.
Une telle agglomération ou triage de l'oxyde de fer partiellement réduit est appréciable à 700 C et très marquée à 900 C. En conséquence, l'application des techniques de fluidi- fication à la production de fer spongieux a été rigoureusement limitée à des températures bien inférieures à cette gamme avanta- geuse. De la sorte, afin de réduire l'oxyde de fer fluidifié dans un gaz hydrogéné, on a proposé de maintenir la température à une valeur non supérieure à 500 C, de manière à empêcher une agglomération. Cependant, afin d'accélérer ce qui serait sinon une réduction très lente à cette basse température, la pression du gaz hydrogéné doit être élevée à 400 livres par pouce carré ..ou plus, ce qui augmente considérablement les frais et augmen- te les difficultés techniques du procédé.
Suivant la présente invention, la température de réduc- tion est de 700 à 900 C, le gaz réducteur contient de l'oxyde de carbone et l'agglomération des particules réduites ou par- tiellement réduites est retardée par introduction de caroone libre dans l'oxyde de fer fluidifié ou par formation de carbure de fer dans cet oxyde ou les deux.
L'utilisation d'hydrogène gazeux seul comme agent ré- ducteur a pour résultat une agglomération très rapide des lits fluidifiés d'oxyde de fer, du fait de l'absence complète de for- mation de carbure de fer. L'utilisation d'oxyde de carbone seul ne permet pas non plus de réduire l'effet d'agglomération de façon appréciable de plue, c'est un gaz réducteur plus lent que l'hydrogène. @
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Un a trouvé, cependant, que si on utilise un mélange d'hydrogene et d'oxyde de carbone, de préférence en des quanti- tés à peu près égales, du carbure de fer est produit dans les lits par des réactions qui peuvent être représentées par les équations :
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FeU + OU- >Fe + CU2 3Fe + 2C0- >l.'eC + 002
Il est possible que, dans le mélange gazeux, l'hydrogè- ne agisse comme le principal gaz réducteur et que l'oxyde de carbone agisse comme agent carburant. Quel que soit le processus on a trouvé que ce mélange a pour résultat la formation maxirnum de carbure et est le plus avantageux pour empêcher l'aggloméra- tion dans des lits fluidifiés.
Pour réduire l'agglomération, il est suffisant d'amener la teneur de carbone combiné du fer à 1-2%, mais avec l'utilisa- tion de quantités égales d'hydrogène et d'oxyde de carbone, la teneur en carbone combiné peut atteindre 6%.
Des gaz industriels contenant de l'oxyde de carbone et de l' hydrogène, par exemple du gaz à l'eau, peuvent être utili- sés comme mélange d'hydrogène et d'oxyde de carbone.
L'oxyde de carbone ou le carbone libre ou les deux peuvent être totalement ou partiellement formés in situ. En particulier, si on utilise des gaz industriels plus complexes contenant du méthane et d'autres hydrocarbures en plus d'oxyde de carbone et d'hydrogène, par exemple du gaz de ville ou du gaz de four à coke, certains au moins des hydrocarbures se dé- composent sous les conditions opératoires pour augmenter la te- neur en oxyde de carbone et produire du carbone libre.
Au lieu de former du-carbure de fer, on peut ajouter du carbone finement divisé à l'oxyde de fer à réduire. Le gaz réducteur peut alors être l'oxyde de carbone seul mais est, de
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preference, constitue d'un mutante d'hydrogène et d'oxyde de carbone.
L'utilisation d'un mélange d'hydrogène et dioxyde ae carbone sans addition de carbone pulvérulent empêchera une agglo- mération à l'extrémité inférieure de la gamme de réduction desi- rable, par exemple à 700-750 C, tandis que., clans de l'hydrogène seul à ces températures, une agglomération marquée se produira, niais l'effet retardateur du mélange gazeux devient moins marqué lorsque la température est élevée à 800 C et plus. A de telles températures plus élevées, qui sont avantageuses pour augmenter le taux de réduction, on préfère ajouter a l'oxyae de fer une petite quantité (non inférieure à 10% en poids du mélange) de carbone pulvérulent, et utiliser un mélange d'hydrogène et d'o- xyde de carbone comme gaz.
Le carbone pulvérulent peut tre utilisé sous forme de charbon, anthracite, coke (y compris le coke de pétrole), gra- phite, noir de fumée ou carbone déposé. Par "carbone déposé", on désigne du carbone déposé à partir d'oxyde de carbone par la réaction :
200 - C + CO2 Ceci s'effectue en présence de divers catalyseurs oxydes, notam- ment l'oxyde de fer, à des températures de la garnie de 400 à 700 C, de préférence 450 à 500 C. Par "noir ae fumée", ou dési- gne du Carbone produit durant la combustion d'hydrocarbures en présence d'une quantité suffisante d'air ou d'oxygène pour ache-, ver la combustion.
Du carbone produit par une combustion partiel- le similaire de charbon pulvérisé peut également être utilisé pour les besoins de l'invention.
La combinson de l'utilisation d'un mélange gazeux d'o- xydede cruone et d'hydrogène et ue l'addition d'une petite quantité de carbone pulvérulent permet la réalisation ue la re- duction d'oxyde de fer dans des lits fludifles, avec succès,
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4 des températures aussi élevées,que 850 C, jusqu'à ce qu'eu
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/,, moins 90% du fer aient été réduits à l'état métallique, la pour dre de fer restant totalement à particules libres.
Lorsqu'on ajoute du charbon pulvérulent au @ mine.. rai ae fer fluidilié à la température mentionnée, il est décom- posé en coke finement divisé, et des quantités appréciables de gaz réducteurs sont libérés, notamment de l'oxyde de carbone et de l'hydrogène, qui se mélangent avec le courant de gaz fluidi- (fiant et aident à la réduction du minerai de fer. Du fait ne cette caractéristique avantageuse, la quantité de charbon pulvé rulent peut être augmentée jusqu'à une valeur de beaucoup supérieure au minimum de 10% nécessaire pour les principaux be- soins de l'invention, à savoir d'empêcher l'agglomération, et peut être amenée à 30% ou plus.
Si on.utilise des charbons bitumeux ou gras, un ramol- lissement des particules d.e charbon peut se produire dans les quelques premières secondes après injection dans l'oxyde de fer chaud, ce qui peut mener à des troubles de collage si on uti- lise des quantités excédant 10% de beaucoup. Ceci peut être de empêché en préoxydant ces charbons dans un courant d'air ou/va-. peur à des températures de 100-200 C penaant des périodes allant jusqu'à une heure.
Le procédé peut être mis en oeuvre en plus d'un lit dans un seul récipient, le gaz réducteur s'élevant à travers chaque lit tour à tour. L'oxyde peut avantageusement être préchauffé @ avant d'être réduit, et le préchauffage peut être réalisé dans le même récipient avec l'oxyde à l'état fluidifié. Ceci peut être réalisé le plus avantageusement par combustion de certains des gaz réducteurs chauds ou du carbone liure dans l'oxyae dans un ou les lits au-dessus'du ou des lits dans lesquels il ¯est réduit.
Tout excès de carbone libre dans la poudre réduite
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finale peut être séparé du fer dans un séparateur magnétique et utilisé à nouveau, suit comme addition à de nouvelles alimenta- tions de minerai pulvérulent, soit pour d'autres besoins de com-- bustibles, par exemple pour la combustion dans un lit de pré- chauffage. En pratique, on a trouvé qu'une petite quantité du carbone libre est utilisée dans une réduction directe, d'une certaine partie de l'oxyde de fer suivant l'équation suivante :
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Si on utilise du charbon comme carbone finement divisé, une difficulté peut se présenter du fait ce la présence de soufre dans le charbon, dont une grande quantité peut se combi- ner avec le fer réduit. Il est désirable d'enlever ce soufre.
Cet enlèvement s'effectue durant la réduction si on Utilise le mélange de gaz preferé contenant 50% d'hydrogène, car le soufre se combine alors avec l'hydrogène pour former de l'hydro- gène sulfuré H2S. Si les gaz réducteurs contiennent moins de 40% d'hydrogène, le soufre peut se recueillir dans le fer spon- gieux jusqu'à des valeurs excédant U,3o, auquel cas le soufre peut encore être enlevé par un second traitement à 700 C ou mons plus dans des gaz plus riches en hydrogène, à savoir contenant du./ 50% d'hydrogène. Ceci peut être réalisé avec le fer sous forme pulvérulente sous des conditions fluidifiées, ou bien le mine- rai réduit peut d'abord être transformé en briquettes et celles-cl de peuvent être traitées dans/l'hydrogène chaud ou des gaz chauds riches en hydrogène.
Dans le dernier cas, il est désirable d'utiliser des gaz contenant au moins 80% d'hydrogène, qui favo- riseront l'agglomération et renforceront ainsi les briquettes réduites. Si le gaz réducteur est mis an circulation pour être réutilisé, l'hydrogène sulfure qui y est introduit par l'enlève- ment du soufre doit en être enlevé périodiquement ou de façon continue.
Comme exemples de l'utilisation des procedés décrits
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aans la. présente invention, on peut donner les résultats de test suivants.
Des scories de laminoir traversant un tamis 16 BSS (British Standard 8 levé) étaient fluidifées dans un courant d'en-' viron 50% de CO et de 50% de H2 pendant 60 minutes à 800 C. On trouvait à l'examen que le lit se transformait en gâteau et que le pourcentage de réduction atteint n'était que de 69,6%.
.Lorsqu'on répétait l'essai, on utilisait le même mélange gazeux pour fluidifier un lit dont 75% étaient des scoes de lamimoir et 25% du charbon pulvérulent à 800 C, le pourcentage de réduc- tion atteint était de 89,8% et le lit était encore non agglomé- ré à la fin du traitement. La teneur en soufre'du charbon uti- lisé était de 2% et celle du fer spongieux était de 0,14%.
Dans un traitement similaire, en utilisant 90% de scories de laminoir et 10% de charbon, fluidifiés dans du CO/H2 à 50%/50% pendant 2 heures à 800 C, on atteignait une réduction de 96,8% et la teneur en soufre du fer spongieux n'était que de
0,048%. La teneur en carbone combiné était de 3,36%.
Dans un autre traitement à 850 C, en utilisant 75% de CO et 25% de H2 pour fluidifier 90% de minerai et 10% de char- bon, on atteignait 97,3% de réduction en deux heures ; lefer spongieux final contenait 0,075% de soufre et 0,45% de carbone combiné et était toujours non aggloméré,
Dans une autre série d'essais utilisant 80% de scories de laminoir et 20% de carbone déposé, fluidifiés dans du CO/H2 à
50%/50% à 800 C, les résultats suivants étaient obtenus.
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<tb>
Durée <SEP> % <SEP> de <SEP> réduction <SEP> % <SEP> de <SEP> carbone <SEP> combiné
<tb>
<tb> 1 <SEP> heure <SEP> 65 <SEP> 1,1
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> heures <SEP> 82 <SEP> 1,95
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> heures <SEP> 87 <SEP> ' <SEP> 2,75
<tb>
Le procédé peut être mis en oeuvre dans l'appareil re- présenté schématiquement au dessin annexé, qui n'est donné qu'à
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titre d'exemple. La partie principale de l'appareil est une tour verticale 1 en acier revêtue de briques et contenant quatre 'grilles 2, 3, 4 et 5 qui sont perméables aux gaz mais qui re- tiennent l'oxyde en traitement. L'oxyde sous la forme de minerai de fer est introduit dans le haut-du récipient 1 depuis une tré-. mie 6 par un dispositif d'alimentation à vis 7 et forme un lit sur la grille 2.
Au cours du procédé, le minerai circule de grille en gille par des conduits descendants 8, 9 et 10 de la manière courante dans des procédés basés sur les techniques de .fluidification, et finalement le minerai est déchargé depuis au-dessus de la grille 5 vers un appareil de refroidissement 11.
Dans le récipient 1, le minerai est fluidifié par un- mélange de gaz réducteur préchauffé soufflé sous pression à la base du récipient par une soufflante 12, le gaz passant à tra- vers un préchauffeur 13. Le gaz traverse chacune des grilles pour pénétrer dàns les lits de minerai et les fluidifier. La vitesse est réglée par rapport à la dimension du minerai utili- sée dans les lits, de manière à produire un état convenable de fluidification, le minerai étant normalement d'une dimension pas inférieure à 1/8 de pouce, mais de préférence/plus fin que 200 mailles, et la vitesse du gaz étant de 5 à 0,3 pied par seconde.
Les deux lits inférieurs sont les lits réducteurs, et du carbone finement divisé est introduit, par une trémie 14 à l'intervention d'un dispositif d'alimentation à vis 15 dans le lit se trouvant sur la grille 4. Une partie du gaz réducteur est soutirée entre les grilles 3 et 4 par une canalisation 16 et envoyée à un condenseur 17 et ensuite à un appareil de lava- ge 18 en vue de l'enlèvement de l'anhydride carbonique. Le gaz- passe alors au coté d'aspiration de la soufflante 12, en étant rejoint sur son parcours par du gaz réducteur frais introduit par un conduit 19 venant d'un récepteur de gaz 20.
Les deux lits supérieurs, à savoir ceux qui se trouvent sur les grilles 2 et 3, sont utilisés comme lits préchauffants
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pour le minerai admis. Le minerai est fluidifié sur les grilles
2 et 3 par le restant du gaz réducteur qui est brûlé parade l'air ou de l'oxygène introduits par des conduits 29 et 30. Ce gaz sort finalement en traversant un cyclone 21 en vue de l'en- lèvement des poussieres et, de là, il s'en va comme gaz de rebut par une conduite 22 vers une cheminée.
Lorsqu'il quitte l'appareil de refroidissement 11, le fer spongieux passe à travers un séparateur magnétique 23 où le fer est séparé du carbone libre,' et ce fer est ensuite trans formé en briquettes dans une presse 24. Les briquettes sont re- froidies dans un appareil de refroidissement 25. Le gaz utilisé pour refroidir à la fois les briquettes aans l'appareil 25 et l'oxyde réduit dans l'appareil 11 est constitué par au gaz réduc teur froid soutié de la conduite 19 par une conduite 26 et un surchargeur 27,et ce gaz est ensuite délivré au prhauffeur 13 par une conduite 28, de sorte que la chaleur que ce gaz a fixé . est ainsi conservée.
REVENDICATIONS
1. Un procédé de réduction d'oxyae de fer en fer, dans lequel les particules de l'oxyde sont fluidifiées à une tempéra-' ture de 700 à 900 C par un gaz réducteur contenant de l'oxyae ae carbone, et l'agglomération ou frittage des particules rédui- tes totalement ou partiellement est retardé en introduisant du carbone libre dans l'oxyde de fer fluidifié ouen formant du carbure de fer dans cet oxyde ou les deux.