Procédé de fabrication de métaux, en particulier d'acier, à partir de minerais contenant des oxydes L'invention concerne un procédé de fabrication de métaux, en particulier d'acier, à partir de minerais contenant des oxydes, par exemple des minerais de fer, dans lequel le minerai, par exemple le minerai de fer, avec addition d'un agent réducteur approprié, de préférence de carbone, est réduit, et le métal, par exemple le fer, est séparé ensuite de la gangue.et où,après élimination des scories, on ajoute de préférence des agents de raffinage , pour limiter à une grosseur usuelle tous les éléments indésirables dans le bain de métal, par exemple dans le bain d'acier, et où, par ailleurs, on ajoute encore éventuellement des éléments d'alliages.
L'invention concerne en outre un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention.
Dans la métallurgie d'aujourd'hui, on connaît toujours encore deux voies principales pour fabriquer de l'acier, de préférence à partir de minerais de fer, en deux étapes et dans deux enceintes séparées. On utilise alors la réduction directe et/ou indirecte des oxydes de fer en présence d'éléments indésirables.
Les deux procédés connus antérieurement ont ceci de commun que le chauffage et la réduction des minerais à l'état solide sont réalisés par le gaz de réduction croissant dans le volume des pores, en sorte que, suivant la hauteur de la cuve, il faut adapter la granulométrie, en ce qui concerne la grandeur, au processus.
Dans le processus de réduction directe, on part en fait de minerais en grains fins, qui, cependant, doivent être préparés avant le processus de réduction proprement dit, par frittage jusqu'à une grandeur de pastilles d'au moins
10 mm. Un autre inconvénient est que la température du processus doit être limitée supérieurement pour éviter un collage des pastilles individuelles, état de choses qui ne garantirait plus la perméabilité aux gaz nécessaire.--De----cette façon, le produit intermédiaire ne peut non plus apparaître qu'à l'état solide qui est exempt, à vrai dire, en ordre principal, d'oxygène, mais non pas de la gangue,
ni des éléments indésirables. La séparation ne peut s'obtenir qu'au prix d'une nouvelle grande dépense d'énergie dans le procédé de fabrication d'acier proprement dit, qui rend nécessaire une fusion de toute la masse originelle, déduction faite de l'oxygène . Ainsi, ce procédé de réduction
le plus ancien est, avec le coût croissant de l'énergie, de moins en moins utilisable pour des raisons économiques.
Dans le haut-fourneau a lieu une réduction directe ainsi qu'indirecte , avec une température finale si élevée qu'il apparaît, comme produit intermédiaire , de la fonte liquide et déjà en grande partie séparée de la scorie. Cependant, ici aussi, une deuxième étape de production pour
la fabrication de l'acier est inéluctable, même si, à cause de la masse moindre, la dépense d'énergie n'est pas aussi importante que dans la réduction directe. A cause de la grande hauteur de la cuve d'une part, et de la perméabilité aux gaz, nécessaire d'autre part, la grosseur de grain
du minerai doit être choisie pour être , jusqu'à 40 mm , plus grande que pour le processus direct, en sorte que les deux processus se distinguent pour l'emploi immédiat de minerais fin et très fin . La raison se situe dans la déficience de la perméabilité aux gaz de ces grosseurs de grains des minerais, qui provoque. l'échec de l'emploi de ces deux procédés classiques.
Abstraction faite de cela, il n'a jamais manqué de tentatives d'utiliser des grandeurs de particules particulièrement petites, comprises entre 0 et 10 mm, avec leurs surfaces croissant dramatiquement par rapport à leur
volume décroissant, pour une réduction aussi rapide que dans le processus du haut-fourneau par exemple.
On a tenté -de trouver une issue à cette situation et, en fait, soit par petit grain , grande surface, mauvaise perméabilité aux gaz, soit gros grain , petite surface, bonne perméabilité aux gaz, en compensant le défaut de mobilité du gaz dans le matériau à grain fin , par rotation du minerai fin lui-même autour du courant de gaz horizontal. Ce procédé est cependant resté négligé,autant que l'essai consistant à déplacer des minerais fins dans un courant de gaz, de façon telle qu'il soit en même temps mis en mouvement tourbillonnaire par le courant de gaz (procédé de la couche tourbillonnaire, lit fluidisé). Les vitesses de gaz relativement élevées, typiques du processus et nécessaires, entraînent cependant le fait que le gaz quitte le lieu du processus trop vite et en étant ainsi peu mis à profit quant à l'utilisation de sa chaleur.
Cette vitesse de gaz, relativement grande elle-même, en même temps que la mauvaise transmission de chaleur d'une phase gazeuse à la phase solide du minerai, sont des conditions insuffisantes pour une réaction aussi rapide que possible, telle qu'elle est donnée naturellement par la surface relativement grande des particules.
Par le brevet belge No. 867.764 (correspondant au brevet néo-zélandais No. 197.311 et au brevet australien No.
522.372), on connaît un procédé de fabrication de métaux,
en particulier d'acier, à partir de minerais contenant des oxydes, par exemple de minerai de fer, dans lequel le minerai, par exemple du minerai de fer, en y ajoutant un agent de réduotion approprié, de préférence du carbone, est réduit et où ensuite le métal, par exemple le fer, est séparé de
la gangue et où,après l'élimination des scories, on ajoute
à la gangue, de préférence, des agents de raffinage pour limiter tous les éléments indésirables dans le bain de métal, par exemple dans le bain de fer, à une fraction usuelle, et où, par ailleurs, on ajoute encore éventuellement des éléments d'alliages. Le minerai -à grain- fin , par exemple le minerai sous forme de sable, notamment le minerai de
fer avec une grosseur de grain de 1 à 10.000 microns, de préférence d'une grosseur de grain de 50 à 2000 microns, est, en même temps que par exemple un agent de réduction qui
lui est mélangé, en particulier le carbone, introduit dans un bain métallique liquide approprié, en particulier dans
un bain de fer liquide, de telle sorte que les processus de chauffage et de réduction pour, par exemple, le fer et l'agent de réduction, ont lieu bien en dessous du niveau du bain métallique approprié. On s'est donc dégagé de deux principes connus :
1) En ce qui concerne le lieu de la réduction, on est parti du passage bain de fer/scorie. Le minerai à grain fin
- plus il est fin, mieux cela vaut - est introduit dans le bain de fer si profondément qu'il est fondu sur son trajet vers le haut et réduit en fer par l'addition d'agents de réduction appropriés avant qu'en principe la surface limite scorie/bain de fer soit atteinte. La gangue a alors l'occasion de remonter vers la scorie.
2) Eu égard à l'utilisation complète de la condition de réaction rapide donnée géométriquement, on a libéré le
gaz de son habituelle fonction double, à savoir d'être responsable du chauffage et de la réduction. Dans ce procédé antérieurement connu, les moyens les mieux appropriés s'acquittent chaque fois d'une tâche : le minerai liquide assure le chauffage rapide, le gaz assure une réduction rapide des particules de minerai . Il existe donc dans cette façon de procéder antérieurement connue des conditions optimales pour un processus de réduction rapide et techniquement irréprochable.
Considérant. l'économie de ce processus dans la phase de fer liquide avec mise en fusion et réduction simultanée , ce procédé antérieurement connu est cependant entaché d'in-
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(lit fluidisé). Egalement, ces gaz de réaction quittent notamment trop vite le lieu du processus et sont à peine utilisés.
Naturellement, on peut améliorer l'économie de tous ces procédés pour de petites particules de minerai, en créditant la chaleur d'une utilisation thermique partielle à l'extérieur du four où se déroule le processus. Il serait cependant de beaucoup plus économique de faire bénéficier directement le procédé d'une addition supplémentaire de
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car, de ce fait, on économiserait de l'argent sur la base d'une triple action sur le coût. Une moindre consommation d'énergie et de carbone aide notamment à économiser directement sur le coût ; une faible consommation d'énergie par tonne de minerai permet par ailleurs d'exécuter le processus de transformation plus rapidement et d'économiser indirectement dans le temps les coûts de transformation. Dans ce cas, on économiserait donc du temps et de l'argent. Il reste donc à constater que les procédés connus satisfont à cette revendication économique mais qu'ils se limitent à l'utilisation de grosseurs de grain moyenne et grossière. Pour des minerais fins, respectivement très fins, cependant, la mise à profit de la chaleur propre du procédé n'est généralement pas assurée.
Tous ces processus ont en commun le critère que tous les procédés commencent avec la réductionaussi rapide que possible du minerai solide, ce qui conduit, par plusieurs étapes de réduction, à du fer sous forme solide ou sous forme liquide. Alors, dans le cas d'une base finale liquide, la liquéfaction elle-même a lieu, soit
(a) après la réduction ;
(b) pendant la réduction.
On ne connaît cependant pas de procédé dans lequel
la liquéfaction du minerai est exécutée en majorité
(c) avant la réduction.
Le problème posé à l'invention est donc de procurer un procédé auquel ne s'attachent pas les inconvénients décrits de l'état de la technique et que l'on peut employer également bien pour toutes les grosseurs de grain , donc pour des minerais très fins, fins et jusqu'à gros , et en fait avec une grande économie.
Ce problème est résolu par les particularités ex-primées dans la revendication 1, à savoir que le minerai est d'abord amené de son état solide à la phase fondue liquide et qu'ensuite, le bain de minerai est réduit.
Le procédé suivant l'invention offre l'avantage que peut employer à volonté et simultanément des minerais constitués de parties très fines, fines, jusqu'à grosses, donc des fractions de grains très inégales. L'inconvénient de grosseurs de grains différentes est donc complètement supprimé par�la liquéfaction du minerai précédant le processus de réduction, sans diminuer la perméabilité aux gaz désirée.
Un autre avantage réside dans la transmission de chaleur optimale du minerai solide au minerai liquide, qui augmente encore avec les grosseurs de grains plus petites
et la plus grande surface de leurs particules.
La liquéfaction du minerai procure donc, par suite
du bain homogène du minerai, une forme de départ excellente et qui caractérise le procédé, pour une réduction optimale, de basses températures de fusion présentant des avantages pour la technique du procédé.
Le processus de liquéfaction du minerai devrait de préférence - mais non exclusivement - être exécuté indépendamment de la réduction du minerai dans un ou plusieurs fours séparés, en sorte que des temps de liquéfaction relativement longs pour les fractions grossières du minerai ne puissent en aucun cas affecter les temps de réduction. Dans ce cas, les temps de réduction restent égaux en première approximation.
Comme porteur de l'énergie pour la liquéfaction, on devrait utiliser une énergie quelconque à bon marché, de préférence du gaz perdu provenant du processus de la réduction, si bien que le temps de liquéfaction ainsi que l'énergie de liquéfaction déchargent le processus de réduction.
Tout comme on peut choisir la grosseur de grain , du fin au gros , la multiplicité des additions peut encore être élargie pour la forme. C'est ainsi que la liquéfaction ne trouble pas l'addition sous forme naturelle ou choisie à l'avance, par exemple en briquettes de minerai ou en baguettes de minerai qui peuvent être fondues par le gaz,
pour ainsi dire les unes à côté des autres.
Comme la grosseur de minerai et même la forme des minerais amenés éventuellement en paquets sont indifférentes en ce qui concerne la première étape de liquéfaction, on peut considérer tout four de liquéfaction convenable. Comme exemple de four de liquéfaction, on peut choisir toute espèce de fours de fusion, par exemple des fours à induction, des fours à graphite, des fours à arc, des fours à plasma ou des fours à gaz, fixes ou rotatifs.
Tandis que dans le four primaire, il y a principalement du minerai liquide, dans le four secondaire, pour le processus de réduction, il y a principalement du fer liquide. La réduction elle-même peut se faire à l'aide d'agents de réduction solides, liquides ou même sous forme de gaz. C'est sans importance pour la présente demande de brevet.
Sur la base de carbone, par exemple, il se produit, dans le réacteur de réduction, en qualité primaire, une réduction directe utilisant du carbone suivant
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Ce gaz CO rejeté, porteur de chaleur sensible, peut - à présent être amené au processus de liquéfaction pour le minerai. En dehors de la chaleur sensible, il peut se produire, en cas d'excès d'oxygène et/ou d'une température ap-
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l'oxygène, avec un effet exothermique suivant
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Il serait très intéressant de rendre l'oxygène du minerai liquide utilisable pour cette post-combustion car, de cette façon, avec cet exemple, on peut aussi économiser du carbone dans une mesure considérable. Ceci serait une réduction indirecte et en fait également, d'après
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un débit de chaleur relativement grand rendrait directement plus économique la liquéfaction du minerai. Une consommation de carbone diminuée par rapport à la réduction dite "indirecte" rend directement moins coûteux le processus de réduction car il subsiste là, de façon correspondante, un besoin restant moindre de carbone.
Cependant, moins est grande la consommation d'énergie dans le réacteur de réduction, plus le temps de séjour relativement court dans le réacteur principal contribue à faire tomber indirectement les coûts de production.
Dans le réacteur de réduction, la réduction principale a lieu même lorsqu'a bien réussi la post-combustion, respectivement la réduction indirecte, réduction principale après laquelle le fer liquide peut diffuser vers le bas et la gangue peut diffuser vers le haut en raison des poids spécifiques différents.
Après la fin de la réduction totale,- la scorie liquide est séparée du fer liquide de sorte que l'on peut comme d'ordinaire - produire la composition d'acier désirée par alliages.
L'association entre le réacteur à liquide d'une part et le réacteur de réduction d'autre part peut cependant être si étroite que les deux processus peuvent se dérouler dans un réacteur unique. On doit ici, par exemple, indiquer deux types de fours : un four à cuve vertical, un four de rotation horizontal. Dans les deux fours, il se présente, en raison des poids spécifiques différents, trois phases principales :
a) fer liquide (en bas) , b) en majorité du minerai liquide avec des fractions de FeO et de Fe (dans le milieu, c) en majorité de la scorie, cependant avec des fractions de minerai liquide , respectivement de FeO, respectivement de Fe.
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rément dans toutes les trois phases ou simultanément, car
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Le produit de réaction CO s'écoule lentement vers le haut dans l'espace libre du four, à travers la cuve remplie de différents bains. De cette façon, ici aussi, le gaz peut céder de la chaleur sensible et éventuellement de la chaleur exothermique par post-combustion et/ou réduction indirecte, à l'environnement partout principalement liquide, tandis que la chaleur résiduelle subsistant encore toujours peut être utilisée d'autre--façon à l'extérieur du réacteur.
Dans le four rotatif, le gaz CO produit par voie métallurgique s'écoule dans l'espace libre au-dessus du bain
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d'énergie thermique. Si l'on souffle dans le bain du carbone en quantité supérieure à la quantité stoechiométrique , on produit parallèlement du CO, respectivement du C02 chimique et exothermique, en sorte que de cette façon, on peut aussi équilibrer le bilan thermique.
Dans tous les cas, dans le procédé suivant l'invention, la liquéfaction a lieu non pas après la réduction ou en même temps que la réduction, mais nettement avant la réduction, le genre et le mode de liquéfaction du minerai étant indifférents.
On a représenté sur les dessins le procédé suivant l'invention, dans quelques exemples de formes de réalisation. On y voit, en :
- figure 1, un four à cuve unique avec liquéfaction du minerai ;
- figure 2, un four à cuve unique avec double liquéfaction du minerai dans deux tubes rotatifs , à partir du départ des gaz ;
- figure 3, un autre four à cuve unique avec liquéfaction du minerai dans un tuyau rotatif, à partir du départ des gaz ; et en
- figure 4, un four rotatif horizontal qui fonctionne en même temps comme four de réduction et comme générateur de gaz.
Il est peu important, pour le procédé suivant l'invention, avec un bain primaire liquide, de préciser à quel endroit il sera appliqué. C'est ainsi qu'il y aura un grand nombre d'exemples de formes de réalisation.
Dans la forme de réalisation suivant la figure 1, à un four à cuve unique 1 est amené du minerai (E) sous forme d'une fraction granulométrique quelconque et de fractions granulométriques différentes se suivant dans un ordre arbitraire. Dans le four à cuve 1 se trouve en bas, limités à peu près par la ligne 2 vers le haut, du fer liquide et FeO. Au-dessus se trouve du minerai liquide + FeO/Fe, limités vers le haut à peu près par la ligne 3. Au-dessus se trouvent de la scorie liquide + FeO/Fe limités vers le haut à peu près par la ligne 4. Le départ du gaz se fait en 5, tandis que la scorie est retirée par 6 et le fer liquide
par 7.
Dans la forme de réalisation suivant la figure 2,
on a désigné également par la notation de référence 8 un four à cuve unique dans lequel débouchent des tuyaux rotatifs 9,10 diamétralement opposés l'un à l'autre, auxquels est amené de façon quelconque du minerai en fractions granulométriques quelconques et/ou comme mélange.
En dessous se trouvent, dans le four à cuve unique, du fer liquide + FeO, limités à peu près par la ligne 11. Au-dessus se trouvent du minerai liquide + FeO/Fe, limités
à peu près par la ligne 12. Au-dessus du minerai liquide se trouvent de la scorie liquide + FeO/Fe limités à peu près par la ligne 13. Des gaz chauds s'écoulent en directions A, respectivement B, à travers les tuyaux 9 et 10 et fondent
le minerai amené (20) en sorte qu'il s'écoule sous forme liquide 19 dans le four à cuve unique 8 et y est réduit.
A la figure 3, on a représenté également un four à cuve unique désigné par 14. Dans le four à cuve unique 14 débouche un tuyau 15 auquel est amené du minerai 21 en fraction granulométrique quelconque et/ou en mélange. A contre-courant, du gaz chaud 22 provenant du four à cuve unique 14 est mis en contact avec le minerai, si bien que
le minerai fond et s'écoule sous forme liquide 19 dans le four à cuve unique 14. En dessous se trouvent à nouveau du fer liquide + FeO limités à peu près en haut par le niveau
18 du bain. Au-dessus se trouvent du minerai liquide + FeO/Fe limités par le niveau du bain 16. Au-dessus du minerai liquide se trouvent de la scorie + FeO/Fe limités par le niveau du bain 17.
A la figure 4, on a représenté un four rotatif horizontal dans lequel on a, pour une meilleure compréhension, montré séparément un bain de fer et un bain de minerai. Ceci ne doit pas être prévu en pratique.
a) Dans le bain de fer, on souffle du carbone X et de l'oxygène (fraction Y de OX) pour engendrer des gaz chauds chimiquement, respectivement exothermiquement, CO- respecti- <EMI ID=10.1>
la paroi du rotor, au processus de fusion du minerai.
b) Dans le bain de minerai, on apporte (Z) du minerai et du carbone en sorte que soit engendré, par voie métallurgique, respectivement endothermique, du gaz CO. Ce gaz est encore brûlé exothermiquement dans l'espace du four au- <EMI ID=11.1>
comme unique porteur d'énergie, doit être choisie assez grande pour que le bilan thermique soit équilibré.
Les particularités décrites dans les revendications , dans la description et dans le résumé et ressortant des dessins, peuvent être importantes pour la réalisation de l'invention aussi bien isolément qu'en combinaisons quelconques.
LEGENDE DES FIGURES
A la figure 4, on doit lire sous :
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Q : FeO liquide
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R : Fer liquide
P :. Fe liquide
REVENDICATIONS
1.- Procédé de fabrication de métaux, en particulier d'acier, à partir de minerais contenant des oxydes, par exemple des minerais de fer, dans lequel le minerai, par exemple le minerai de fer, avec addition d'un agent réducteur approprié, de préférence de carbone, est réduit, et le <EMI ID=14.1> où, après élimination des scories, on ajoute de préférence des agents de raffinage, pour limiter à une grosseur usuelle tous les éléments indésirables dans le bain de métal, par exemple dans le bain d'acier, et où, par ailleurs, on ajoute encore éventuellement des éléments d'alliages, caractérisé en ce que le minerai est d'abord amené de son état solide à la phase fondue liquide, et en ce qu'ensuite, le bain de minerai est réduit.