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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% .