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Cette invention est relative à la réduction de minerai métalique en métal spongieux.
On connait en pratique divers procédés directs de réduc- tion pour réduire le minerai d'oxyde de fer en fer métallique. Un de ces procédés, généralement connu sous le nom de procédé Wiberg, consiste à introduire une charge dans un four vertical'ayant en dessous de la section médiane une ouverture pour l'introductiond'un gaz réducteur, un orifice d'échappement au-dessus de cette section médiane pour l'évacuation d'une partie de ce gaz réducteur et un i- fice d'admission d'air situé près de l'orifice d'évacuation pour introduire de l'air dans le four.
Une fois que le four est chargé, on introduit le gaz réducteur dans le fût et il se déplace en sens opposé au déplacement de la charge.La section comprise entre l'ouver -ture d'admission et 1!orifice d'évacuation du gaz réducteur est appelée la zone de réduction. Comme environ 70% du gaz réducteur s'échappe par l'orifice d'évacuation, les 30% restant remontent et lorsqu'ils se mélangent à l'air,ils provoquent une combustion qui sert à chauffer la charge. Ainsi, dans le procédé Wiberg qui est continu, on prévoit deux zones distinctes à savoir une zone de chauf- fage et une zone de réduction et dans cette dernière zone, le gaz réducteur se déplace en sens opposé au déplacement du minerai.
Selon l'invention, on présente un procédé par charges suc- cessives pour la réduction du minerai métallique en métal spongieux qui consiste à charger le minerai dans une chambre de réaction telle que le multiple de la longueur et de la largeur à la surface si elle est nivelée, du lit de la charge est supérieur ou égal à la hauteur de ce lit, la charge étant préchauffée et soumise à un gaz réducteur à l'intérieur de cette chambre ou en variante, à chauffer la charge dans la chambre au moyen du gaz réducteur ou à l'aide de brûleurs pla- cés dans la chambre, dans un cas comme dans l'autre la charge dans la chambre atteint une température telle qu'elle peut recevoir les élé- ments réducteurs de ce gaz réducteur pour amorcer et achever lopéra- tion de réduction, la charge restant immobile et le gaz réducteur se déplaçant au sein de la charge,
le chauffage et la réduction s'effec- tuant dans une seule zone.
En outre, selon cette invention, le gaz réducteur est intro- duit depuis un point situé au-dessus du lit de la charge. De préfé- rence, la surface du lit de charge est en substance rectangulaire en section horizontale et elle peut présenter de petites surfaces con- tournées.
La charge peut être chauffée au moyen d'air chaud. On tire un avantage particulier en adoptant un pareil système de chauffage car si le minerai est de la magnétite, il est alors oxydé pour former
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de l'hématite tandis que si le minerai est de l'hématite, l'air chau@ favorise les opérations de réduction.
Bien que l'invention soit décrite ci-dessous en se réfé- rant à la réduction de minerai de fer, il est bien entendu qu'on peut appliquer ce procédé pour la réduction de tout minerai fer- reux ou non ferreux.
La proportion initiale de CO et H2est déterminée par les pertes de chaleur dans la chambre de réaction grâce aux formules : Fe203 + 3 CO = 2 Fe + 3 C02 - 69 kcal/kg Fe
EMI2.1
Fe203 + 3 Ii2 = 2 r + 3 H20 + 195 kcal/kg Fe
L'élimination subséquente de H2comme réducteur endothr- mique dépend de l'augmentation de la quantité de matière inerte dans la chambre de réaction au fur et à mesure de l'avancement de la réaction et qui doit être chauffée par la réaction de ré- duction, c'est-à-dire par une perte de chaleur dans la chambre de réaction, les gaz réducteurs non utilisés dans la réaction et la charge déjà réduite absorbent finalement lachaleur exothermique que la réaction CO/Fe2O3 produit et la dissipent.
Selon une façon de mettre l'invention en application, on introduit le mélange gazeux dans la chambre et les gaz d'échappe- ment en sortent de manière à établir un courant de gaz à travers la charge, les orifices d'admission et d'évacuation des gaz sont fermés lorsque la charge est saturée par le mélange de sorte que la pres- sion du gaz s'élève dans la chambre jusqu'à ce que la réaction cesse entièrement ou presque et on répète ensuite le cycle avec la même charge et une nouvelle quantité d'oxyde de carbone et ausai, si nécessaire, d'hydrogène.
La réaction entre l'oxyde de carbone et l'oxyde de fer se passe suivant l'équation : Fe203 + 3 CO = 2 Fe + 3 CO2 - qui est une réaction exothermique et par conséquent la température de la charge, si elle n'est pas contrôlée s'élèvera au-dessus de la température optimale requise qui est comprise entre 900 et 1100 C et mieux entre 980 et 1020 C. Toutefois, la température ne peut s'élever au-dessus de la valeur optimale prédéterminée par l'introduction d'hydrogène qui réagit avec l'oxyde de fer suivant l'équation: Fe203 + 3 H2= 2 Fe + 3 H20 qui est une réaction endo- thermique et par conséquent abaisse la température de la charge.
On n'introduit que la quantité suffisante d'hydrogène pour main-, tenir la température de la chambre de réaction dans des limites prédéterminées et qui, dans tous les cas est comprise entre 900 et
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1100 C, mais si possible et de préférence entre des limites plus étroites, par exemple de 1000 à 1050 C.
Le minerai d'oxyde de fer doit être un minerai de grosseur choisie. Il peut être mis sous forme de briquettes avec ou sans cdrbonate de calcium (par exemple de la chaux). Si le minerai peut être automatiquement fritté ou forme de lui même une scorie, on peut supprimer le carbonate de calcium mais autrement on ajoute jusqu'à 10% en poids de carbonate de calcium dans le but de désul- furerles gaz réducteurs si ceux-ci n'ont pas été ainsi traités au préalable.
La charge de minerai d'oxyde de fer peut être amenée dans la chambre de réaction à n'importe quelle température jusqu'à 1000 C Si elle est quelque peu inférieure à 900 - 1000 C,elle doit être chauffée dans la chambre jusqu'à cette température en introduisant dans la chambre de l'oxyde de carbone sans hydrogène mais si elle est à une température encore plus basse, elle doit être chauffée d'une autre manière, par exemple avec des brûleurs ou de l'air chaud.
L'oxyde de carbone et l'hydrogène sont produits dans n'im- porte quel type connu de gazogène. Ils peuvent être mélangés et ame- nés dans la chambre en mélange approprié dans une proportion déterminé par des essais antérieurs ou bien ils peuvent être introduits sépa- rément dans la chambre de réaction.
Le gaz introduit dans la chambre est habituellement de l'oxyde de carbone avec addition, seulement au moment voulu, d'hydro- gène. Les gaz restant qui s'échappent sont constitués par un mélan- ge de CO et de C02 et, si on a admis de l'hydrogène dans la chambre H2 et H20 desquels on peut, en cas de besoin récupérer l'oxyde de carbone et l'hydrogène ou les régénérer en les faisant passer dans un gazogène pour les retraiter ou les recycler dans.la chambre de réaction.
L'oxyde de carbone est amené dans la chambre de réaction à une température comprise entre 850 et 1000 C, la valeur optimale étant choisie par l'expérience.
L'hydrogène est amené dans la chambre de réaction à la même température (en mélange avec le CO) et l'arrivée est contrôlée (automatiquement ou manuellement) de manière que l'hydrogène ne soit admis que lorsque la température a tendance à s'élever au- dessus de la valeur optimale prédéterminée.
On peut s'arranger pour que le procédé utilisé n'importe quelle proportion requise jusqu'au maximum de gaz réducteur dans la réaction, les quantités nontilisées étant récupérées si on le désire-
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Si la charge n'est pas amenée dans les chambres de réac- tion, il n'est pas nécessaire de fournir des brûleurs pour chauffer; la charge dans les chambres de réaction.
Selon une autre façon de mettre l'invention en application on peut suivre le processus suivant :
1. On chauffe la chambre de réaction jusqu'à environ 100C C
2. On amène la charge chaude ou froide dans la chambre de réaction par les portes de chargement et on la nivèle.
3. On ferme les portes de chargement et les portes à l'ex- trémité de déchargement de la chambre sont aussi fermées.
4. Si la charge est amenée froide, on la chauffe jusqu'à environ 1000 Cau moyen d'air chaud ou de brûleurs à huile ou autres par exemple à gaz.
5. On laisse entrer dans la chambre de réaction un mélange de gaz réducteurs composé d'oxyde de carbone (CO) et d'hydrogène (H2) la proportion moléculaire de CO étant conforme àla formule de chauffe pour chasser tous les gaz de chauffage brûlés ou l'air chaud.
6. On ferme les conduites d'amenée et d'échappement du gaz réducteur de manière à élever la pression des gaz dans les chambres de réaction afin de provoquer la réaction plus for¯tement qu'à la pression normale. La température des chambres de réaction est mesurée par des pyromètres montés sur les portes de chargement et de déchar gement, dans les conduites d'échappement ou à tout autre endroit convenant fonctionnellement, L'amenée d'hydrogène est commandée de manière à augmenter lorsque la température tend à atteindre 1100 C et à diminuer et finalement à s'arrêtér lorsque la température tombe vers 900 C.
7. Lorsque la réaction de l'oxyde de carbone et de l'hydro- gène avec l'oxyde de fer s'est effectuée aussi loin que possible, on ouvre la conduite d'échappement.
8.- On répète les opérations 5, 6 et 7 jusqu'à ce qu'en substance tout l'oxyde de fer soit réduit en fer.
Le fer spongieux qui en résulte est poussé hors de la cham- bre de réaction et il peut être utilisé pour charger un four Martin et/ou des fours électriques d'élaboration de l'acier ou encore com- me remplacement de la mitraille d'acier ou dans d'autres buts.
Ce procédé est recommandé lorsque l'usage maximal du gaz réducteur est exigé.
Cependant, si les gaz réducteurs à l'échappement (c'est- à-dire usés)contenant une proportion beaucoup plus élevée d'oxyde de carbone et/ou d'hydrogène peuvent être commodément réutilisés
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ou être utilisés ailleurs, on peut suivre un autre procédé, c'est-à-dire qu'au lieu de fermer les chambres de réaction, on peut admettre le gaz réducteur et le faire passer dans la chambre de réaction en un courant ininterrompu de gaz jusqu'à ce que la réduction du minerai de fer soit terminée. La proportion de H2 et de CO ainsi introduits dans la chambre de réaction sera déterminée comme précédemment par la température de la chambre et la tempé- rature des gaz à la sortie.
Après une possible régénération, les gaz d'échappement peuvent être utilisés ailleurs, par exemple pour alimenter un four Martin pour l'élaboration de l'acier ou bien (après re- froidissement dans un échange ur de chaleur) être introduits dans un réseau de gaz de ville ou encore alimenter une turbine à gaz pour produire de l'électricité en cas de besoin d'électricité pour un four à fabriquer de l'acier. Le recyclage, après régénération dans un gazogène pour réduire le CO2 en CO et H20 en H2 et CO pour être réintroduit dans la chambre de réaction, est aussi un usage possible pour les gaz réducteurs à l'échappement qui a déjà été mentionné.
On décrira maintenant plus complètement l'invention à titre d'exemple avec référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels: la figure 1 représente une coupe transversale d'unebatterie de réacteurs destinés à mettre en oeuvre le procédé de l'invention; la figure 2 est une vue en plan de ceux-ci; la figure 3 montre une disposition schématique des système; de chargement et de.déchargement des réacteurs.
Le réacteur est construit en briques réfractaires ou en métal garni de briques réfractaires ou encore en métal résistant à la chaleur de manière à présenter une batterie de chambres de réactions R1, R2, R3 --- R24 et R25, adjacentes l'une à l'autre et séparées par des parois communes de séparation W1, W2, W3 et des- servies par des systèmes communs de chargement et de déchargement pour constituer ensemble une batterie. Les dimensions d'une chambre de réaction séparée peuvent être par exemple. hauteur 4,55 m, longueur 9,15 à 12,20 m et une largeur allant en diminuant de 61 cm à l'extrémité de décharge à 46 cm à l'autre extrémité.
Les paroi qui sont communes entre les chambres peuvent avoir environ 61 cm d'épaisseur et elles peuvent être faites en briques de silice ou autres briques réfractaires ayant un point de fusion suffisamment élevé ou encore en métal résistant à la chaleur. Les extrémités de chaque chambre de réaction sont couvertes par des portes à
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charnières mobiles Dl, D2 qui s'ouvrent vers l'extérieur au mo- ment du déchargement du produit de la chambre de réaction.
Chaque chambre de réaction possède des portes ou orifices de chargement qui peuvent être au mombre de quatre, situées à la partie supérieure de la chambre de réaction Cl, C2, C3, C4 et qui peuvent être couverts par un couvercle. Un chariot de charge- ment F avec des trémies Hl, H2 dans lesquels est transporté la charge de minerai de fermélangé en cas de besoin avec de la chaux, roule sur des rails J placés à la partie supérieure et sur la longueur de la batterie de réacteurs ou bien on peut utiliser une courroie, une chaine ou un autre système detransportcur. La charge est entraînée par le matériel de chargement sur toute la longueur de la batterie.
Lorsqu'on utilise un'chariot, il s'arrête au- dessus du réacteur à.charger et on laisse tomber la charge dans les chambres de réaction par des entonnoirs K et les trous de chargement précités Cl, C2, C3 et C4 ménagés dans chaque chambre , de réaction; une fois dans la chambre de réaction, la charge est nivelée.
Le déchargement du produit du réacteur après l'achèvement du processus de réduction s'effectue par l'ouverture des portes d'extrémité Dl, D2 et en utilisant un refouloir R actionné mécaniquement pour pousser le produit hors du réacteur sur l'aire
W d'où il peut être emporté par des wagons sur rails. Un chariot mobile portant le refouloir RC dessert toute la batterie. Le refouloir est introduit par l'extrémité la plus étroite du réacteur
Lorsque chaque chambre de réaction doit être chauffée, cha' cune peut 8tre pourvue de six brûleurs Bl, B2, 83, B4, 85 et B6 placés à la partie supérieure de la chambre, les brûleurs étant alimentés en gaz ou huile combustible et en air qui proviennent d'une conduite principale de gaz ou d'huile Ll commandée par une vanne et d'une conduite principale d'air L2 commandée aussi par une vanne.
L'air comburant peut être réchauffé par échange de cha- leur avec les gaz réducteurs à l'échappement. Le fond de chauqe chambre de réaction est percé d'ouvertures adéquates de 1,5 à 2 cm 2 pu autres par lesquelles le gaz réducteur usé est aspiré au de hor dans des canaux raccordés à une conduite d'évacuation commandée aussi par une vanne.
Pour introduire le gaz réducteur dans chaque chambre de réaction, chacune d'elles est aussi munie à la partie supérieure d'un certain nombre de raccords d'admission Gl, G2, G3, G4 par lesquels le gaz réducteur est injecté dans le réacteur. Le gaz réducteur est aspiré de la conduite principale de gaz réducteur l4
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La porte Dl est munie d'un pyromètre qui mesure la tempé- rature dans les chambres de réaction; d'autres pyromètres, comme il a déjà été dit, sont placés dans la chambre et les conduits d'évacuation, etc., chaque fois que cela convient du point de vue opérationnel et constructif.
En mettant l'invention en application, les portes Dl et D2 se trouvent dans les sections inférieure et supérieure, les hauteurs des portes inférieures étant déterminées par la hauteur atteinte par le minerai chargé. La porte inférieure est fermée et les chambres de réaction sont remplies de minerai d'oxyde de fer (Fe203) (mélangé si nécessaire à de la chaux comme il a été dit ci-dessus) jusqu'à un niveau requis, par exemple à la moitié ou aux deux tiers de la hauteur des chambres de réaction et le minerai est nivelé mécaniquement tandis que les couvercles et ensuite la porte supérieure Dl sont fermés. Si la charge n'est pas chauffée au préalable, on alimente les brûleurs en combustible et en air dans le but de chauffer le minerai chargé.
L'air ou l'oxygène et la vapeur, l'huile ou le gaz sont introduits dans le gazogène dans les proportions voulues pour produire un mélange de CO et H2 dans le rapport appropximatif de 3 à 1 en équivalents molé- culaires. Ce mélange est introduit dans les chambres de réaction .
A tout moment, lorsque la température a tendance à s'élever au- dessus de 1100 C, on fournit plus de vapeur, d'huile ou de gaz au gazogène afin de produire une plus grande proportion d'hydrogène qui, grâce à sa réaction endothermique avec le minerai, fera bais- ser la température. Lorsque la température a tendance à tomber en dessous de 900 C, on diminue l'arrivée de vapeur, d'huile ou de gaz ou gazogène ou même on l'arrête complètement de manière à réduire ou à supprimer l'hydrogène dans le gaz réducteur et la réac- tion exothermique du CO avec le- minerai fera monter la température Si les gaz évacués contenant du CO et H2 non utilisés peuvent être commodément employés,on les fait passer de manière continue à travers le minerai jusqu'à ce que la réduction de ce dernier soit complète.
Si ces gaz d'échappement ne peuvent être commodément utilisés, il est plus économique ( en ce qui concerne une utilisation plus compl, te des gaz) de remplir les chambres de réaction avec du gaz réduc- teur et de fermer les vannes d'admission et d'échappement de manière à ce que la pression des gaz dans les chambres de réaction s'élève et que la combustion du CO et H2suit plus complète. La vanne d'éch. pement du gaz réducteur est ensuite ouverte pour évacuer les gaz réducteurs usés et la vanne d'admission est ouverte pour admettre du gaz réducteur frais après quoi ces vannes sont de nouveau fermée*
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et la réaction avec la même charge de minerai continue de nouveau sous pression.
Lorsque la réduction du minerai chargé est terminée, le fe@ est enlevé au moyen du poussoir R et il peut être traité de n'im- porte quelle manière habituelle.
Dans la construction prototype représentée sur les figures
4 à 7, le réacteur présente une structure en briques réfractaires
10 enfermant une chambre de réaction 11 conique unique. La partie supérieure du four présente trois trous de chargement couverts par trois couvercles en fonte 13, 14 et 15. Ces couvercles sont maintenus par des barres 16.
Chaque couvercle porte un brûleur 17 refroidi par de l'eau amenée par des tuyaux 18 et 19 et alimenté en huile par un tuyau
20. Le couvercle présente une ouverture d'admission du gaz, rac- cordée par un tuyau 22 à un collecteur 24 qui est relié à la'fois à un tuyau d'amenée d'air 25muni d'un modérateur du type à papil- lon 26 et à un tuyau d'amenée du gaz réducteur 27 pourvu d'une vanne
29 refroidie par de l'eau.amenée par les tuyaux 30 et 31.
Le tuyau d'amenée du gaz 27 est relié à un gazéif icateur approprié de haut type connu comprenant une tour 33 avec un tuyau d'amenée d'air et/ou d'oxygène 34 muni d'une vanne 35 et d'un tuyau; d'admission 36 muni d'une vanne 37 pour l'admission de vapeur et/ou d'huile ou d'un hydrocarbure gazeux (par exemple le méthane) et/ou
CO2 ( par exemple les gaz d'échappement recyclés).
Aux extrémités du four, il y a des portes 40 et 41, des orifices d'inspection et de nivelage ; despyromètres 42 sont reliés! à la conduite d'admission des gaz aux deux portes (en dessous du niveau de la charge) et dans le tunnel d'échappement.
Du fonddu four partent des conduites d'évacuation des gaz
46 et 47 qui aboutissent à un tunnel 48 relié à un tuyau d'échappe-' ment 50 commandé par une vanne 51 et aboutissant à une cheminée d'évacuation 52. La vanne 51 est refroidie par de l'eau amenée par des tuyaux 53 et 54.
Un poussoir de déchargement est représenté en 56.
En service, les barres 16 et les couvercles 13 et 14 et 15 sont enlevés et la chambre du four est remplie d'une charge de mine. rai. On remet ensuite les couvercles et on les fixe. L'air et l'huile sont fournis pour chauffer la charge. Ensuite, on coupe l'arrivée de l'air et de l'huile et les gaz réducteurs (CO et H2 dans la proportion de 3 pour 1) sont introduits. Lorsque la tempéra- ture a tendance à tomber en dessous de 900 C, on coupe l'arrivée de vapeur et/ou d'hydrocarbure de manière à n'envoyer que du CO dan!
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la chambre de réaction. Le courant de gaz, continu ou discontinu, comme on l'a choisi, continue à passer jusqu'à ce que la réaction soit terminée comme il a été expliqué, après quoi on ouvre les por- tes 40 et 41 et la charge est poussée dehors au moyen du refouloir 56.
Exemples: (1) On a chargé 5 tonnes de minerai d'oxyde de fer (hemati- te) ayant une teneur de 62,53 à 62,98% de fer métallique avec 2,80 à 2,94% de SiO22, 3,73 à 3,75% A1203 et on a chauffé la charge à 1.000 C; ensuite, on a introduit du CO et H2que l'on a fait passer dans les chambres, l'hydrogène étant progressivement sup- primé du gaz réducteur pour maintenir la température de la chambre de réaction constante. Après 4 heures,cette charge était réduite à environ 3,5 tonnes de fer spongieux contenant 3,1 tonnes de fer métallique dont l'analyse révèle 90,00 à 90,50% de Fe, 0,33 à 0,35% de C, 4,10 à 4,17% de SiO24,51 à 4,87% de A1203 et moins de 1% d'oxyde de fer.
(2) 5 tonnes de minerai d'oxyde de fer hydraté (limonite) contenant de 60,78 à 61,47% de Fe, 1,52 à 1,66% de Si02 , 3,17 à 3,44% de A1203 et 6,62 à 8,26% d'eau combinée ont été déshydratées et réduites dans la chambre pour produire 3,5 tonnes de fer spongieux contenant 3,2 tonnes de Fe métallique ayant une teneur de 92,5% .
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This invention relates to the reduction of metal ore to spongy metal.
Various direct reduction methods are known in the art for reducing iron oxide ore to metallic iron. One such process, generally known as the Wiberg process, involves introducing a charge into a vertical furnace having below the middle section an opening for the introduction of reducing gas, an exhaust port above. of this middle section for the evacuation of a part of this reducing gas and an air intake port located near the exhaust port for introducing air into the furnace.
Once the furnace is loaded, the reducing gas is introduced into the barrel and it moves in the opposite direction to the movement of the load. The section between the inlet opening and the gas outlet reducer is called the reduction zone. Since about 70% of the reducing gas escapes through the exhaust port, the remaining 30% goes back up and when mixed with air, it causes combustion which serves to heat the load. Thus, in the Wiberg process which is continuous, two distinct zones are provided, namely a heating zone and a reduction zone, and in the latter zone, the reducing gas moves in the direction opposite to the movement of the ore.
According to the invention, there is presented a successive charge process for the reduction of metallic ore to spongy metal which consists in charging the ore into a reaction chamber such as the multiple of the length and the width at the surface if it is leveled, the bed of the load is greater than or equal to the height of this bed, the load being preheated and subjected to a reducing gas inside this chamber or alternatively, to heat the load in the chamber by means of the reducing gas or with the aid of burners placed in the chamber, in either case the charge in the chamber reaches a temperature such that it can receive the reducing elements of this reducing gas to initiate and complete the reduction operation, the load remaining stationary and the reducing gas moving within the load,
heating and reduction taking place in a single zone.
Further, according to this invention, the reducing gas is introduced from a point above the bed of the feed. Preferably, the surface of the feed bed is substantially rectangular in horizontal section and may have small contoured areas.
The load can be heated with hot air. A particular advantage is obtained by adopting such a heating system because if the ore is magnetite, it is then oxidized to form
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hematite while if the ore is hematite, the hot air favors the reduction operations.
Although the invention is described below with reference to the reduction of iron ore, it is understood that this process can be applied for the reduction of any iron ore or non-ferrous.
The initial proportion of CO and H2 is determined by the heat losses in the reaction chamber using the formulas: Fe203 + 3 CO = 2 Fe + 3 C02 - 69 kcal / kg Fe
EMI2.1
Fe203 + 3 Ii2 = 2 r + 3 H20 + 195 kcal / kg Fe
The subsequent removal of H 2 as an endothermic reducing agent depends on the increase in the amount of inert material in the reaction chamber as the reaction progresses and which must be heated by the reduction reaction. i.e. through loss of heat in the reaction chamber, the reducing gases not used in the reaction and the already reduced charge eventually absorb the exothermic heat that the CO / Fe2O3 reaction produces and dissipate it.
According to one way of carrying out the invention, the gas mixture is introduced into the chamber and the exhaust gases exit therefrom so as to establish a flow of gas through the charge, the inlet and outlet ports. gas evacuation are closed when the load is saturated with the mixture so that the gas pressure rises in the chamber until the reaction ceases entirely or almost and the cycle is then repeated with the same load and a further quantity of carbon monoxide and, if necessary, hydrogen.
The reaction between carbon monoxide and iron oxide takes place according to the equation: Fe203 + 3 CO = 2 Fe + 3 CO2 - which is an exothermic reaction and therefore the temperature of the load, if it is not is not controlled will rise above the optimum temperature required which is between 900 and 1100 C and better still between 980 and 1020 C. However, the temperature cannot rise above the optimum value predetermined by the introduction of hydrogen which reacts with iron oxide according to the equation: Fe203 + 3 H2 = 2 Fe + 3 H20 which is an endothermic reaction and consequently lowers the temperature of the charge.
Only a sufficient quantity of hydrogen is introduced to maintain the temperature of the reaction chamber within predetermined limits and which, in all cases is between 900 and
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1100 C, but if possible and preferably between narrower limits, for example 1000 to 1050 C.
The iron oxide ore must be an ore of the chosen size. It can be put in the form of briquettes with or without calcium carbonate (eg lime). If the ore can be automatically sintered or forms a slag on its own, the calcium carbonate can be omitted, but otherwise up to 10% by weight of calcium carbonate is added in order to desulphurize the reducing gases if these have not been treated in this way beforehand.
The iron oxide ore feed can be brought into the reaction chamber at any temperature up to 1000 C If it is somewhat lower than 900 - 1000 C, it should be heated in the chamber to this temperature by introducing carbon monoxide without hydrogen into the chamber, but if it is at an even lower temperature, it must be heated in another way, for example with burners or hot air.
Carbon monoxide and hydrogen are produced in any known type of gasifier. They can be mixed and fed to the chamber in a suitable mixing ratio in a proportion determined by previous tests or they can be introduced separately into the reaction chamber.
The gas introduced into the chamber is usually carbon monoxide with the addition, only when required, of hydrogen. The remaining gases which escape consist of a mixture of CO and CO 2 and, if hydrogen has been admitted into the chamber H2 and H20 from which it is possible, if necessary, to recover the carbon monoxide and hydrogen or regenerate them by passing them through a gasifier to reprocess or recycle them in the reaction chamber.
The carbon monoxide is brought into the reaction chamber at a temperature between 850 and 1000 C, the optimum value being chosen by experience.
The hydrogen is brought into the reaction chamber at the same temperature (mixed with the CO) and the arrival is controlled (automatically or manually) so that the hydrogen is only admitted when the temperature tends to drop. raise above the predetermined optimum value.
Arrangements can be made for the process to use any required proportion up to the maximum of reducing gas in the reaction, the unused amounts being recovered if desired.
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If the charge is not supplied to the reaction chambers, it is not necessary to provide burners for heating; the charge in the reaction chambers.
According to another way of implementing the invention, the following process can be followed:
1. The reaction chamber is heated to about 100C C
2. The hot or cold load is brought into the reaction chamber through the loading doors and leveled.
3. The loading doors are closed and the doors at the unloading end of the chamber are also closed.
4. If the load is brought cold, it is heated to about 1000 C by means of hot air or oil or other burners, for example gas.
5. A mixture of reducing gases composed of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H2) is allowed to enter the reaction chamber, the molecular proportion of CO being in accordance with the heating formula to expel all the burnt heating gases. or hot air.
6. The reducing gas supply and exhaust pipes are closed so as to increase the gas pressure in the reaction chambers in order to provoke the reaction more strongly than at normal pressure. The temperature of the reaction chambers is measured by pyrometers mounted on the loading and unloading doors, in the exhaust pipes or at any other functionally suitable location. The hydrogen supply is controlled so as to increase when the temperature tends to reach 1100 C and decrease and eventually stop when the temperature drops around 900 C.
7. When the reaction of carbon monoxide and hydrogen with iron oxide has proceeded as far as possible, the exhaust line is opened.
8.- Operations 5, 6 and 7 are repeated until in substance all the iron oxide is reduced to iron.
The resulting sponge iron is pushed out of the reaction chamber and it can be used to charge a Martin furnace and / or electric steelmaking furnaces or as a replacement for scrap metal. steel or for other purposes.
This process is recommended when maximum use of the reducing gas is required.
However, if reducing exhaust gases (i.e. spent) containing a much higher proportion of carbon monoxide and / or hydrogen can be conveniently reused
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or be used elsewhere, one can follow another process, that is, instead of closing the reaction chambers, one can admit the reducing gas and pass it into the reaction chamber in an uninterrupted flow of gas until iron ore reduction is complete. The proportion of H2 and CO thus introduced into the reaction chamber will be determined as before by the temperature of the chamber and the temperature of the gases at the outlet.
After a possible regeneration, the exhaust gases can be used elsewhere, for example to supply a Martin furnace for the production of steel or else (after cooling in a heat exchange) be introduced into a network of town gas or even power a gas turbine to produce electricity when electricity is needed for a furnace to make steel. Recycling, after regeneration in a gasifier to reduce the CO2 to CO and H20 to H2 and CO to be reintroduced into the reaction chamber, is also a possible use for reducing gases at the exhaust which has already been mentioned.
The invention will now be described more fully by way of example with reference to the appended schematic drawings in which: FIG. 1 represents a cross section of a battery of reactors intended to implement the process of the invention; Figure 2 is a plan view thereof; Figure 3 shows a schematic arrangement of the systems; loading and unloading reactors.
The reactor is built of refractory bricks or of metal lined with refractory bricks or of heat-resistant metal so as to present a battery of reaction chambers R1, R2, R3 --- R24 and R25, adjacent to each other. 'other and separated by common separation walls W1, W2, W3 and served by common charging and discharging systems to together constitute a battery. The dimensions of a separate reaction chamber can be eg. height 4.55 m, length 9.15 to 12.20 m and a width decreasing from 61 cm at the discharge end to 46 cm at the other end.
The walls which are common between the chambers can be about 24 inches thick and they can be made of silica bricks or other refractory bricks having a sufficiently high melting point or of heat resistant metal. The ends of each reaction chamber are covered by doors with
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movable hinges D1, D2 which open outwards when the product is unloaded from the reaction chamber.
Each reaction chamber has loading doors or ports which can be four in number, located at the top of the reaction chamber C1, C2, C3, C4 and which can be covered by a cover. A loading trolley F with hoppers Hl, H2 in which the load of closed-mixed ore is transported if necessary with lime, rolls on rails J placed at the top and along the length of the battery of reactors or a belt, chain or other conveyor system can be used. The charge is driven by the charging equipment along the entire length of the battery.
When using a trolley, it stops above the reactor to be loaded and the charge is dropped into the reaction chambers through funnels K and the aforementioned loading holes C1, C2, C3 and C4 in the reaction chambers. each reaction chamber; once in the reaction chamber, the charge is leveled.
Discharge of the product from the reactor after the completion of the reduction process is effected by opening the end doors D1, D2 and using a mechanically actuated ram R to push the product out of the reactor onto the airstrip.
W from where it can be carried by rail cars. A mobile trolley carrying the RC rammer serves the entire battery. The rammer is introduced through the narrow end of the reactor
When each reaction chamber is to be heated, each may be provided with six burners B1, B2, 83, B4, 85 and B6 placed at the top of the chamber, the burners being supplied with gas or fuel oil and air. which come from a main gas or oil line L1 controlled by a valve and from a main air line L2 also controlled by a valve.
The combustion air can be reheated by exchanging heat with the reducing gases at the exhaust. The bottom of each reaction chamber is pierced with suitable openings of 1.5 to 2 cm 2 or more through which the spent reducing gas is sucked in through channels connected to an evacuation pipe also controlled by a valve.
In order to introduce the reducing gas into each reaction chamber, each of them is also provided at the upper part with a certain number of inlet connections G1, G2, G3, G4 through which the reducing gas is injected into the reactor. Reducing gas is drawn from the main reducing gas line l4
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Door D1 is fitted with a pyrometer which measures the temperature in the reaction chambers; other pyrometers, as already said, are placed in the chamber and exhaust ducts, etc., whenever convenient from an operational and constructive point of view.
By applying the invention, the doors D1 and D2 are in the lower and upper sections, the heights of the lower doors being determined by the height reached by the loaded ore. The lower door is closed and the reaction chambers are filled with iron oxide ore (Fe203) (mixed if necessary with lime as said above) to a required level, for example at the half or two-thirds the height of the reaction chambers and the ore is mechanically leveled while the lids and then the top door D1 are closed. If the charge is not preheated, the burners are supplied with fuel and air for the purpose of heating the charged ore.
Air or oxygen and steam, oil or gas are introduced into the gasifier in the proportions desired to produce a mixture of CO and H2 in the approximate ratio of 3 to 1 in molecular equivalents. This mixture is introduced into the reaction chambers.
At any time, when the temperature tends to rise above 1100 C, more steam, oil or gas is supplied to the gasifier in order to produce a greater proportion of hydrogen which, thanks to its reaction endothermic with the ore, will lower the temperature. When the temperature tends to fall below 900 C, the arrival of steam, oil or gas or gasifier is reduced or even it is stopped completely so as to reduce or eliminate the hydrogen in the reducing gas and the exothermic reaction of CO with the ore will raise the temperature. If the exhaust gases containing unused CO and H2 can be conveniently employed, they are continuously passed through the ore until the reduction of the latter is complete.
If these exhaust gases cannot be conveniently used, it is more economical (with regard to more complete use of the gases) to fill the reaction chambers with reducing gas and to close the inlet valves. and exhaust so that the gas pressure in the reaction chambers rises and the combustion of CO and H 2 follows more complete. The exhaust valve. The reducing gas tank is then opened to discharge the spent reducing gases and the inlet valve is opened to admit fresh reducing gas after which these valves are closed again *
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and the reaction with the same charge of ore continues under pressure again.
When the reduction of the loaded ore is complete, the fe @ is removed by means of the pusher R and it can be processed in any usual way.
In the prototype construction shown in the figures
4 to 7, the reactor has a refractory brick structure
10 enclosing a single conical reaction chamber 11. The upper part of the oven has three loading holes covered by three cast iron covers 13, 14 and 15. These covers are held by bars 16.
Each cover carries a burner 17 cooled by water supplied by pipes 18 and 19 and supplied with oil by a pipe
20. The cover has a gas inlet opening, connected by a pipe 22 to a manifold 24 which is at the same time connected to an air supply pipe 25 provided with a butterfly-type moderator. lon 26 and to a reducing gas supply pipe 27 provided with a valve
29 cooled by water supplied by pipes 30 and 31.
The gas supply pipe 27 is connected to a suitable gasifier of known high type comprising a tower 33 with an air and / or oxygen supply pipe 34 provided with a valve 35 and a pipe. ; inlet 36 provided with a valve 37 for the admission of steam and / or oil or a gaseous hydrocarbon (for example methane) and / or
CO2 (eg recycled exhaust gases).
At the ends of the furnace there are doors 40 and 41, inspection and leveling holes; despyrometers 42 are linked! to the gas inlet pipe at both doors (below the load level) and in the exhaust tunnel.
From the bottom of the oven leave the gas discharge pipes
46 and 47 which end in a tunnel 48 connected to an exhaust pipe 50 controlled by a valve 51 and terminating in an exhaust chimney 52. The valve 51 is cooled by water supplied by pipes 53 and 54.
An unloading pusher is shown at 56.
In service, bars 16 and covers 13 and 14 and 15 are removed and the furnace chamber is filled with a charge of mine. spoke. Then replace the lids and secure them. Air and oil are supplied to heat the load. Then, the air and oil supply is cut off and the reducing gases (CO and H2 in the proportion of 3 to 1) are introduced. When the temperature tends to drop below 900 C, the steam and / or hydrocarbon supply is cut off so as to send only CO dan!
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the reaction chamber. The gas stream, continuous or discontinuous, as chosen, continues to flow until the reaction is complete as explained, after which gates 40 and 41 are opened and the load is pushed. out by means of the rammer 56.
Examples: (1) 5 tons of iron oxide ore (hematite) having a content of 62.53 to 62.98% metallic iron were charged with 2.80 to 2.94% SiO22, 3 73 to 3.75% A1203 and the load was heated to 1000 ° C; then, CO and H 2 were introduced which were passed through the chambers, the hydrogen being gradually removed from the reducing gas to keep the temperature of the reaction chamber constant. After 4 hours, this charge was reduced to about 3.5 tons of spongy iron containing 3.1 tons of metallic iron which analysis revealed 90.00 to 90.50% Fe, 0.33 to 0.35% C, 4.10 to 4.17% SiO24.51 to 4.87% A1203 and less than 1% iron oxide.
(2) 5 tons of hydrated iron oxide ore (limonite) containing 60.78 to 61.47% Fe, 1.52 to 1.66% Si02, 3.17 to 3.44% A1203 and 6.62 to 8.26% of the combined water was dehydrated and reduced in the chamber to produce 3.5 tons of spongy iron containing 3.2 tons of metallic Fe having a content of 92.5%.