EP1383933B1 - Procede de production de fonte liquide dans un four electrique - Google Patents

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EP1383933B1
EP1383933B1 EP02719871A EP02719871A EP1383933B1 EP 1383933 B1 EP1383933 B1 EP 1383933B1 EP 02719871 A EP02719871 A EP 02719871A EP 02719871 A EP02719871 A EP 02719871A EP 1383933 B1 EP1383933 B1 EP 1383933B1
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EP
European Patent Office
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process according
carbon
fines
electric arc
previous
Prior art date
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EP02719871A
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German (de)
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EP1383933A1 (fr
Inventor
Jean-Luc Roth
Paul Berg
Fred Weisgerber
Fred Parasch
Emile Lonardi
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Paul Wurth SA
Original Assignee
Paul Wurth SA
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Publication date
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Priority claimed from LU90788A external-priority patent/LU90788B1/fr
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/14—Multi-stage processes processes carried out in different vessels or furnaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B11/00—Making pig-iron other than in blast furnaces
    • C21B11/10—Making pig-iron other than in blast furnaces in electric furnaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
    • C21B13/0006—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes obtaining iron or steel in a molten state
    • C21B13/0026—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes obtaining iron or steel in a molten state introduction of iron oxide in the flame of a burner or a hot gas stream

Definitions

  • the invention relates to a method for producing molten iron.
  • Direct reduction processes (without passage through a liquid phase) using coal as reductant are the most economical and this especially in countries without a natural gas resource.
  • a disadvantage of these processes are that they give a high sulfur content prereduced (0.3-0.6% w / w S).
  • fine metal will be understood to mean all kinds of products comprising partially oxidized metallic iron.
  • the metallic fines represent iron ore particles, waste particles of all kinds containing partially oxidized iron and in particular dust from blast furnace and electric ovens, straws or calamine particles (iron oxides formed during reheating or rolling), rolling sludge or machining etc.
  • the object of the present invention is to propose a method for producing optimized cast.
  • WO-A-00 79 012 discloses all these features.
  • the proposed method uses the electric arc furnace in a process very particular, consisting of charging prereduced metal fines hot (preferably directly at the outlet of the reduction furnace, that is to say at a temperature above 500 ° C and particularly preferably between 800 and 1100 ° C) and working on a cast iron foot topped with a layer of non-foaming liquid slag.
  • Bath foot stirring can by injecting a neutral gas (nitrogen, argon) through the oven floor and / or by injecting oxygen-containing gas by means of one or more spears.
  • the bathing foot is very strongly stirred by gas injection. This brewing very energetic makes it possible to homogenize in temperature the bath + metal milk and renew the surface of the slag layer so that it remains overheated and well liquid, and able to absorb prereduced metal fines without these do not solidify and form an impassable crust.
  • the flow of the inert gas in the proposed process is preferably between 50 l / min. t. (liters per minute and per ton of liquid metal in the bath) and 150 l / min. t.
  • the brewing rate is between 80 and 120 l / min.t. These flows are to be adjusted according to the height of the bathing foot and the number and position of injection points. This high brewing rate is unrelated to the common practice in electric arc furnace. Indeed, the brewing rate in the conventional processes for producing steel in an electric arc furnace is in the range of 1 to 10 l / min.t and is intended only to homogenize the bath and to regulate metallurgical results and temperature.
  • the metal bath foot must have a certain minimum height, preferably a height of at least 0.3 m, to ensure an energetic mixing of the molten metal bath. Care must be taken avoid that the injection of the brewing gas through the oven hearth simply a "hole" through the metal bath, without putting it energetically in motion.
  • this minimum height may vary depending on the configuration of the electric arc furnace and the location of the gas injection means which are preferably porous bricks or nozzles.
  • gas injection means of brewing are positioned near the outer edge of the hearth of the electric arc furnace, that is to say laterally at the bottom of the bath, so as to bring back to the zone warmer central, located between the electrodes, fine metal particles pre-reduced remaining or tending to agglomerate at the edge of the oven.
  • stirring the foot bath is performed by injecting oxygen-containing gas by means of one or several injectors.
  • oxygen-containing gas called by the "primary oxygen”
  • this oxygen-containing gas By injecting this oxygen-containing gas (called by the "primary oxygen") in the foot of bath by means of a penetrating jet, it is form bubbles of CO gas by reaction with the C of the cast iron. This release of CO in the liquid metal creates turbulence that ensures a mixing vigorous foot bath and slag.
  • prereduced metal fines In order to protect the prereduced metal fines during their fall in the furnace, they are surrounded by a curtain of inert gas, preferably nitrogen or argon.
  • the curtain of inert gas preferably annular in shape, makes it possible to minimize the lateral flight of the particles by the suction of the oven and the reoxidation of the prereduced metal fines before these reach the slag layer or the bathing foot respectively.
  • a flow rate of nitrogen of the order of 50 Nm 3 / h at 200 ° Nm 3 / h is preferably used to form the protective curtain and thus to protect the transfer of approximately 10 to 60 t / h of metal fines.
  • prereduced compounds comprising of the order of 50% Fe metallized at a rate of between 60 and 100%. These values depend on many factors such as furnace geometry, drop height of fines, turbulence inside the electric arc furnace etc. and must be adapted accordingly.
  • the transfer of the prereduced metal fines is carried out in the central region of the electric arc furnace, located between the electrodes.
  • coal is preferably blended. a diameter of between 2 and 20 mm with very small metallic fines before charging in the electric arc furnace.
  • the amount of coal put depends on the amount of carbon contained in the metal fines pre-reduced. It is intended to have a carbon excess of between 7% and 15% and preferably close to 10%. In this way, it is possible to get a cast to 3-3.5% C, 0.01 - 0.05% Si and 0.03 - 0.06% S depending on the S content of the coal.
  • agents are additionally added. slag formation during step a) and / or step b).
  • These training agents slag are preferably selected from the group consisting of lime, and magnesia, and their mixtures.
  • the excess carbon at the end of step a) is advantageously between 7% and 15% and preferably close to 10%.
  • the solid carbon reductant is selected from coal or petroleum products liquid or solid.
  • the volatile fractions contained in the reductant carbon dioxide are removed during their stay inside the multi-stage furnace, the sulfur also partly.
  • excess carbon is consumed during step d). Moreover, excess free carbon is useful for terminating the reduction reactions and for carburize the cast iron.
  • This objective is achieved by a process for producing molten iron in a electric arc furnace described above in which are arranged one or more post-combustion lances, - possibly associated with one or more injectors primary oxygen - constituting burners of comparable power to those of electric arcs.
  • injectors deliver jets of afterburner gas preferably between arcs, particularly preferred on the circle of electrodes ("electrode pitch circle").
  • the afterburner gas jets in such a way as to push the slag into the central part of the electric arc furnace between the electrodes.
  • the strong turbulence in the slag overheated in this region can increase the flow of fine metal without risking the formation of crusts.
  • the turbulence in the slag are created rather indirectly by the brewing of the foot bath by injecting neutral gas through the hearth of the electric arc furnace and / or by injecting primary oxygen into the bath foot by means of one or several injectors. Injecting afterburner gas directly into the slag layer allows better control and orientation of the movements of slag in the electric arc furnace, accelerate the melting of fine metal and to minimize the risk of unmelted metal fines being pushed and glued to the wall as well.
  • One of the advantages of the present method is that the operation of both reactors is optimized. Indeed, the fact of producing a pre-reduced product comprising a free carbon excess increases the speed of reduction and increases the rate of metallization.
  • Fig.1 illustrates a schematic sectional view of an electric arc furnace for the production of liquid iron according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 It shows an electric arc furnace 10 comprising a tank 12 surmounted of a cover 14 through which three electrodes 16 penetrate. These electrodes 16 are capable of producing arcs of about twenty centimeters and one power of about 4 MW each. In the middle of these three electrodes 16 is placed the transfer device 18 prereduced metal fines. These measures 18 comprises on the one hand a fall to transfer the prereduced metal fines in the oven 12 and on the other hand an injection nozzle for injecting a curtain of nitrogen 20 surrounding the prereduced metal fines during their fall in the oven.
  • the point of impact of the prereduced metal fines is between the three electrodes 16, that is to say at the hottest part of the electric arc furnace 12. moment of impact on the slag layer 22 non-foaming supernatant bath of liquid metal 24, the prereduced metal fines are immediately integrated in it and melt quickly.
  • the sole 26 of the tank 12 is provided with several porous bricks 28 by which is injected a high flow of mixing gas 30. Turbulence created by the injection of this gas 30 through the liquid bath 24 prevents the Precured metal fines do not agglomerate and form crusts.
  • Fig. 2 shows a sectional view of an electric arc furnace for production of liquid iron according to a second embodiment of the invention.
  • Fig. 3 shows a top view of this electric arc furnace.
  • the afterburner lances 32 each inject a jet of oxygen of post-combustion 36 or secondary oxygen in the slag layer 22.
  • These jets of secondary oxygen 36 are softer, less penetrating than jets primary oxygen 34 and burn the CO emanating from the bathing foot 24 following the injection of primary oxygen. CO is therefore burned inside the slag layer 22. This leads to local overheating of the slag.
  • the jets of post-combustion oxygen 36 are oriented to print to the slag impulses opposed to those of the arches, in order to reinforce the mixing of the slag and to flow back the slag towards the center of the electric arc furnace.
  • the production of 54 or 57 t / h of DRI at 60% metallization could be provided by a furnace with a capacity of 50% of the capacity that would be needed to produce 50 t / h of DRI 90% metallized.

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Description

L'invention concerne un procédé de production de fonte liquide.
Depuis de nombreuses années, des efforts considérables sont déployés pour développer des procédés de réduction / fusion pouvant remplacer le haut fourneau pour la production de fonte liquide spécialement dans le cadre d'unités de production à plus faible volume et évitant la préparation des matières c.-à-d. utilisant directement des fines de minerai et de charbon. De tels procédés sont intéressants puisque l'on peut éviter, en principe, des installations représentant un investissement conséquent telles que des installations de production de coke et des installations d'agglomération du minerai.
Les procédés de réduction directe (sans passage par une phase liquide) utilisant le charbon comme réducteur sont les plus économiques et ce surtout dans les pays sans ressource de gaz naturel. Cependant, un désavantage de ces procédés est qu'ils donnent un préréduit à haute teneur en soufre (0,3-0,6% w/w S).
Parmi ces procédés, ceux utilisant du minerai en particules fines (technologies du lit fluidisé ou du four à étages) sont particulièrement intéressants car il s'agit de la forme la moins onéreuse de minerai. Les particules de fer préréduit obtenues également sous forme de fines sont mises en oeuvre sans problème dans les fours électriques fabriquant de l'acier, par injection pneumatique à froid ou à basse température (<300°C).
Cependant, l'utilisation massive de ce genre de particules de fer préréduit au four électrique fabriquant de l'acier pose deux problèmes: - elle apporte beaucoup de soufre, qui n'est pas éliminé dans la métallurgie oxydante des fours électriques fabriquant de l'acier et elle diminue la productivité du four électrique car leur réduction-fusion à partir de l'état froid consomme davantage d'énergie que celle consommée par la matière première principale qu'est la ferraille. Ceci implique une surconsommation électrique et par conséquent une perte de productivité.
Ces désavantages peuvent être évités en produisant de la fonte au lieu de l'acier. En effet, en chargeant les particules de fer préréduit (les fines de préréduit) directement en provenance du four de réduction, à une température de l'ordre de 1000°C, dans un four électrique élaborant de la fonte, il est possible d'éliminer le soufre. En effet, l'enfournement de particules de fer préréduit à 1000°C réduit fortement le besoin énergétique de la fusion. La fabrication de fonte implique un milieu réducteur qui permet d'éliminer le soufre à près de 90%. En créant un laitier adéquat, il est possible d'obtenir une fonte présentant des teneurs en soufre de 0,03-0,06%, ce qui correspond à une qualité de fonte standard, valorisable dans tous les usages traditionnels de la fonte, et en particulier comme source de fer pur au four électrique.
Tout ceci est vrai particulièrement pour le traitement par réduction de déchets sous forme de fines, qui donne toujours un préréduit très chargé en soufre. Par la suite, l'on entendra par « fines métalliques » tous genres de produits comprenant du fer métallique oxydé partiellement. Les fines métalliques représentent des particules de minerai de fer, des particules de déchets de tous genres contenant du fer oxydé partiellement et notamment des poussières de filtres de haut fourneau et de fours électriques, des pailles ou particules de calamine (oxydes de fer formés au réchauffage ou au laminage), des boues de laminage ou d'usinage etc.
La fusion de ce genre de fines métalliques pour la production de fonte se fait traditionnellement dans un four à chauffage résistif du laitier, appelé improprement four à arc submergé (SAF). Le chargement des fines dans ce type de four électrique se fait par gravité en général à froid. Cependant, ce type de four électrique est limité en puissance. En effet, la densité de puissance d'un four à arc submergé (SAF) exprimée en MW / m2 est inférieure d'un facteur 5 à celle du four à arc libre. Pour obtenir une production équivalente, il faut employer un four à arc submergé d'un diamètre plus de 2 fois plus grand que celui d'un four à arc.
De plus, dans les fours électriques à arc, la fusion de matériaux finement divisés non injectables conduit à la formation d'agglomérés s'accrochant sur les parois que l'on appelle communément garnis ou banquettes. C'est le cas également lors de la fusion de ferrailles finement broyées, de copeaux, tournures, etc... L'utilisation massive de ces matières obstrue une partie du volume de la cuve, empêchant un chargement correct de la ferraille, et obligeant l'exploitant à effectuer régulièrement des fusions de lavage par surchauffe importante du four, d'où une perte d'énergie et de production. Par conséquent, le chargement par gravité de fines métalliques préréduites au four électrique sans précaution particulière conduira forcément à des accrétions et à la formation de garnis.
Dans les conditions d'opération habituelles du four électrique à arc, on travaille avec un laitier moussant; en marche classique de fusion de ferraille, le moussage du laitier est obtenu par injection conjointe de carbone et d'oxygène pour former du gaz CO dans le laitier. Lorsqu'on utilise du préréduit riche en carbone (>2%C), ce moussage du laitier est spontané, car le préréduit apporte à la fois de l'oxygène et du carbone. Par sa faible densité, le laitier moussant est un obstacle à la dissolution de fines de préréduit du fait de la faible densité du laitier et de son caractère d'isolant thermique. Les fines de préréduit tombant sur le laitier s'agglomèrent rapidement en une masse difficilement fusible, car peu dense, et donnant des garnis en parois.
Pour fabriquer de la fonte, il faut du carbone. On peut bien sûr injecter du carbone séparément mais la méthode optimale sur le plan économique consiste à fabriquer un préréduit avec excédent de carbone. Cet excédent de carbone peut être dans une faible proportion lié au fer. Mais lorsqu'on fabrique des fines de préréduit à 5-10%C pour faire de la fonte, ce carbone correspond surtout à des particules de carbone libre. Or, il est difficile de faire passer dans le métal ce carbone libre s'il n'est pas injecté dans le bain. En effet, le four électrique à arc libre (contrairement au four à arc submergé - qui fonctionne en fait sans arc, par chauffage résistif) fonctionne sous atmosphère largement oxydante, dans laquelle le carbone s'oxyde rapidement. Sans précaution particulière, l'apport de carbone non injecté sera majoritairement perdu dans les gaz, et le métal s'appauvrira en carbone, et donnera donc un acier.
Il serait avantageux de disposer d'un procédé optimisé permettant de produire de la fonte directement à partir de particules de fines métalliques préréduites dans un four électrique à arc.
L'objet de la présente invention est de proposer un procédé de production de fonte optimisé.
Conformément à l'invention, cet objectif est atteint par un procédé de production de fonte liquide dans un four électrique à arc comprenant plusieurs électrodes, équipé d'une sole et contenant un pied de bain surmonté d'un laitier liquide non moussant. Le procédé comprend les étapes suivantes :
  • a) réduction de fines métalliques pour former des fines métalliques préréduites comprenant un excès de carbone libre,
  • b) transfert à chaud des fines métalliques préréduites à l'intérieur d'un rideau d'un gaz inerte dans un pied de bain contenu dans le four électrique à arc,
  • c) brassage du pied de bain par injection de gaz de manière à éviter la formation de croûtes,
  • d) fusion des fines métalliques préréduites dans le four électrique à arc pour obtenir de la fonte liquide.
    • Abstraction faite du rideau d'un gaz inerte, WO-A-00 79 012 divulgue toutes ces caractéristiques.
    Le procédé proposé met en oeuvre le four électrique à arc libre dans un procédé très particulier, consistant à charger les fines métalliques préréduites chaudes (de préférence directement à la sortie de four de réduction c'est à dire à une température supérieure à 500 °C et de manière particulièrement préférée entre 800 et 1100°C) et à travailler sur un pied de bain de fonte surmonté d'une couche de laitier liquide non moussant. Le brassage de pied de bain peut s'effectuer par injection d'un gaz neutre (azote, argon) à travers la sole du four et/ou par injection de gaz contenant de l'oxygène au moyen d'une ou plusieurs lances.
    Le pied de bain est très fortement brassé par injection de gaz. Ce brassage très énergique permet d'homogénéiser en température le bain métal+laitier et de renouveler la surface de la couche de laitier afin qu'elle reste surchauffée et bien liquide, et capable d'absorber les fines métalliques préréduites sans que celles-ci ne se solidifient et forment une croûte infranchissable.
    Dans le cas où le brassage du pied de bain est réalisé par injection de gaz neutre ou inerte à travers la sole du four électrique à arc, le débit du gaz inerte dans le procédé proposé est de préférence compris entre 50 l/min. t. (litres par minute et par tonne de métal liquide du bain) et 150 l/min. t. De manière particulièrement préférée, le débit de brassage se situe entre 80 et 120 l/min.t. Ces débits sont à ajuster en fonction de la hauteur du pied de bain et du nombre et de la position de points d'injection. Ce débit élevé de brassage est sans rapport avec la pratique courante au four électrique à arc. En effet, le débit de brassage dans les procédés classiques de production d'acier dans un four électrique à arc se situe dans la gamme de 1 à 10 l/min.t et est destiné seulement à homogénéiser le bain et à régulariser les résultats métallurgiques et la température.
    Pour garantir l'efficacité optimale du brassage, le pied de bain métallique doit avoir une certaine hauteur minimale, de préférence une hauteur d'au moins 0,3 m, afin de garantir un brassage énergique du bain de métal en fusion. Il faut veiller à éviter que l'injection du gaz de brassage par la sole du four ne fasse simplement un "trou" au travers du bain de métal, sans le mettre énergiquement en mouvement. Bien entendu, cette hauteur minimale peut varier en fonction de la configuration du four à arc électrique et de l'emplacement des moyens d'injection de gaz qui sont de préférence des briques poreuses ou bien des tuyères.
    D'une manière particulièrement préférée, des moyens d'injection de gaz de brassage sont positionnés près du bord extérieur de la sole du four à arc électrique, c'est à dire latéralement au fond du bain, de manière à ramener vers la zone centrale plus chaude, située entre les électrodes, les particules de fines métalliques préréduites restant ou tendant à s'agglomérer au bord du four.
    Alternativement ou complémentairement au brassage du pied de bain par injection de gaz inerte à travers la sole du four électrique à arc, le brassage du pied de bain est réalisé par injection de gaz contenant de l'oxygène au moyen d'un ou plusieurs injecteurs. En injectant ce gaz contenant de l'oxygène (appelé par la suite « oxygène primaire ») dans le pied de bain au moyen d'un jet pénétrant, il se forme des bulles de CO gazeux par réaction avec le C de la fonte. Ce dégagement de CO dans le métal liquide crée des turbulences qui assurent un brassage vigoureux du pied de bain et du laitier.
    Afin de protéger les fines métalliques préréduites pendant leur chute dans le four, celles-ci sont entourées par un rideau de gaz inerte, de préférence de l'azote ou de l'argon. Le rideau de gaz inerte de préférence de forme annulaire permet de minimiser l'envol latéral des particules par l'aspiration du four et la réoxydation des fines métalliques préréduites avant que celles-ci n'atteignent la couche de laitier respectivement le pied de bain. On utilise de préférence un débit d'azote de l'ordre de 50 Nm3/h à 200°Nm3/h pour former le rideau de protection et pour ainsi protéger le transfert d'environ 10 à 60 t/h de fines métalliques préréduites comprenant de l'ordre de 50% Fe métallisé à un taux compris entre 60 et 100%. Ces valeurs dépendent de nombreux facteurs tels que la géométrie du four, la hauteur de chute des fines, des turbulences à l'intérieur du four électrique à arc etc. et doivent être adaptées en conséquence.
    De préférence, le transfert des fines métalliques préréduites est réalisé dans la région centrale du four électrique à arc, située entre les électrodes.
    Selon un mode de réalisation préféré, on mélange du charbon ayant de préférence un diamètre compris entre 2 et 20 mm aux fines métalliques très réduites avant leur enfournement dans le four électrique à arc. La quantité de charbon mis en oeuvre dépend de la quantité de carbone contenue dans les fines métalliques préréduites. On vise à avoir un excès de carbone compris entre 7% et 15% et de préférence voisin de 10%. De cette manière, il est possible d'obtenir une fonte à 3-3,5%C, 0,01 - 0,05% Si et 0,03 - 0,06% S suivant la teneur S du charbon.
    Selon un autre mode de réalisation préféré, l'étape a) comprend les étapes suivantes :
  • a1) on introduit dans un four multi-étages comprenant plusieurs étages superposés les fines métalliques et on les dépose sur l'étage supérieur du four multi-étages,
  • a2) on transfère les fines métalliques graduellement sur les étages inférieurs,
  • a3) on ajoute à un ou plusieurs des étages inférieurs un réducteur carboné en une quantité suffisante pour réduire les fines métalliques et pour assurer un excès de carbone libre,
  • a4) on chauffe le four multi-étages et on réduit les fines métalliques au contact du réducteur carboné et des gaz produits par le réducteur carboné à des températures adéquates,
  • a5) on brûle l'excédent de gaz produit par le réducteur carboné à l'intérieur du four multi-étages et on met à profit la chaleur résultante pour sécher et préchauffer les fines métalliques.a1) on introduit dans un four multi-étages comprenant plusieurs étages superposés les fines métalliques et on les dépose sur l'étage supérieur du four multi-étages.
    • Selon un autre mode de réalisation préféré, on ajoute en outre des agents de formation de laitier pendant l'étape a) et/ou l'étape b). Ces agents de formation de laitier sont choisis, de préférence parmi le groupe constitué de chaux, de castine et de magnésie ainsi que de leurs mélanges.
    L'excès de carbone à l'issue de l'étape a) est avantageusement compris entre 7% et 15% et de préférence voisin de 10%.
    Le réducteur carboné solide est choisi parmi le charbon ou les produits pétroliers liquides ou solides. Les fractions volatiles contenues dans le réducteur carboné sont éliminées pendant leur séjour à l'intérieur du four multi-étages, le soufre également en partie.
    Une partie du carbone en excès est consommée pendant l'étape d). De plus, le carbone libre en excès est utile pour terminer les réactions de réduction et pour carburer la fonte.
    Selon un autre aspect de la présente invention, il s'agit d'augmenter la production du four à arc électrique sachant que la puissance des arcs électriques est limitée par la tension d'arc à cause de la longueur d'arc "immergé" réalisable.
    Au lieu de le laisser "brûler inutilement" avec des entrées d'air spontanées dans le four électrique à arc et en risquant que les fines métalliques ne se solidifient et forment une croûte infranchissable, il est avantageux d'utiliser l'excédent de carbone des fines métalliques préréduites avec une efficacité énergétique maximale pour augmenter la productivité du four électrique à arc.
    Bien entendu, si l'on veut augmenter le capacité de production de fonte par heure du four électrique à arc, il faut augmenter le débit de fines métalliques introduites dans le four électrique à arc. Cette augmentation du débit de fines métalliques augmente également le risque de formation de croûtes.
    Cet objectif est atteint par un procédé de production de fonte liquide dans un four électrique à arc décrit plus haut dans lequel sont disposées une ou plusieurs lances de postcombustion, -- éventuellement associées à un ou plusieurs injecteurs d'oxygène primaire -- constituant des brûleurs d'une puissance comparable à celles des arcs électriques. Ces injecteurs délivrent des jets de gaz de postcombustion de préférence entre les arcs électriques, de manière particulièrement préférée sur le cercle d'électrodes ("electrode pitch cercle").
    Il est avantageux d'orienter les jets de gaz de postcombustion de manière à pousser le laitier dans la partie centrale du four électrique à arc entre les électrodes. Ceci renforce le brassage du laitier d'une manière appréciable et permet de maintenir en permanence du laitier surchauffé très agité dans la région qui reçoit les fines métalliques. Les fortes turbulences dans le laitier surchauffées dans cette région permettent d'accroítre le débit de fines métalliques sans risquer la formation de croûtes . En effet, sans cette injection de gaz de postcombustion, les turbulences dans le laitier sont créées plutôt indirectement par le brassage du pied de bain par l'injection de gaz neutre à travers la sole du four électrique à arc et/ou par l'injection d'oxygène primaire dans le pied de bain au moyen d'un ou plusieurs injecteurs. Le fait d'injecter du gaz de postcombustion directement dans la couche de laitier permet de mieux contrôler et orienter les mouvements de laitier dans le four électrique à arc, d'accélérer la fusion des fines métalliques et de minimiser le risque que des fines métalliques non fondues ne soient poussées et collées à la paroi ainsi.
    Un des avantages du présent procédé est que le fonctionnement des deux réacteurs est optimisé. En effet, le fait de produire un préréduit comprenant un excès de carbone libre accroít la vitesse de réduction et augmente le taux de métallisation.
    Pour obtenir cet excès de carbone libre, il est nécessaire d'ajouter une quantité appropriée de réducteur carboné pendant l'étape de réduction.
    Un autre avantage du carbone libre en excès dans le fer préréduit réside dans le fait que dans les étages de réduction du réacteur de réduction, les températures sont très élevées et par conséquent, le réducteur carboné, en l'occurrence le charbon, est dévolatilisé et désulfuré dans une large mesure. Il s'est avéré que, pendant l'étape de fusion, le charbon dévolatilisé était plus facilement soluble dans le bain de fonte que le charbon non dévolatilisé. De plus, comme le réducteur carboné est soumis à de très hautes températures pendant son séjour à l'intérieur du réacteur de réduction, la teneur en soufre diminue considérablement. La fonte ainsi obtenue présente des teneurs en soufre plus faibles. Bien entendu, on aurait pu utiliser du coke au lieu de charbon pendant la fusion des particules de fer préréduit afin d'obtenir une meilleure solubilité du carbone. Cependant, le fait d'utiliser du coke au lieu de charbon augmente les coûts de production et ne résout pas le problème du soufre. En effet, le coke ne contient pas de matières volatiles ; cependant, il contient sensiblement la même quantité de soufre que le charbon utilisé lors de sa production.
    L'excès de carbone est brûlé dans le four de fusion et permet donc d'économiser de l'énergie électrique pendant la fusion des particules.
    Le fait d'ajouter le réducteur carboné qu'au niveau des derniers étages du four multi-étages permet de mettre à profit la chaleur résiduelle des gaz pour sécher et préchauffer les particules de minerai de fer et de brûler complètement le monoxyde de carbone. Une post-combustion séparée n'est pas nécessaire. De plus, la température plus élevée de ces dernières étages réduit davantage la teneur en soufre dans le carbone libre.
    Il ne s'agit donc pas d'une juxtaposition de deux procédés connus mais d'une interaction entre les deux procédés qui conduit à des avantages inattendus.
    D'autres particularités et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée d'un mode de réalisation avantageux présenté ci-dessous, à titre d'illustration, en se référant au dessin annexé. Celui-ci montre:
    Fig.1:
    Vue en coupe d'un four électrique à arc pour la production de fonte liquide selon un premier mode de réalisation de l'invention,
    Fig.2:
    Vue en coupe d'un four électrique à arc pour la production de fonte liquide selon un deuxième mode de réalisation de l'invention,
    Fig.3:
    Vue de dessus d'un four électrique à arc selon la Fig. 2
    La Fig.1 illustre une vue en coupe schématique d'un four électrique à arc pour la production de fonte liquide selon un premier mode de réalisation de la présente invention.
    On y voit un four électrique à arc 10 comprenant une cuve 12 surmontée d'une couvercle 14 par laquelle pénètrent trois électrodes 16. Ces électrodes 16 sont capables de produire des arc électriques d'une vingtaine de centimètres et d'une puissance de 4 MW environ chacune. Au milieu de ces trois électrodes 16 est placé le dispositif de transfert 18 des fines métalliques préréduites. Ce dispositif 18 comprend d'une part une chute pour transférer les fines métalliques préréduites dans le four 12 et d'autre part une buse d'injection permettant d'injecter un rideau d'azote 20 entourant les fines métalliques préréduites pendant leur chute dans le four.
    Le point d'impact des fines métalliques préréduites se trouve entre les trois électrodes 16, c'est à dire à l'endroit le plus chaud du four électrique à arc 12. Au moment de l'impact sur la couche de laitier 22 non-moussant surnageant le bain de métal liquide 24, les fines métalliques préréduites sont tout de suite intégrées dans celle-ci et fondent rapidement.
    La sole 26 de la cuve 12 est munie de plusieurs briques poreuses 28 par lesquelles est injecté un débit élevé de gaz de brassage 30. Les turbulences créées par l'injection de ce gaz 30 à travers le bain liquide 24 empêche que les fines métalliques préréduites ne s'agglomèrent et ne forment des croûtes.
    La fig. 2 montre une vue en coupe d'un four électrique à arc pour la production de fonte liquide selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. La Fig. 3 montre une vue de dessus de ce four électrique à arc.
    Dans ce four électrique à arc 10' à chargement central par gravité sont disposées trois lances de postcombustion 32 associées à trois injecteurs d'oxygène primaire 32' constituant des brûleurs de puissance comparable à ceux des arcs, entre les arcs électriques 33, sur le cercle d'électrodes ("electrode pitch cercle"). Les jets d'oxygène primaire 34 issus des injecteurs 32' sont des jets pénétrants et sont orientés dans le pied de bain 24. Lors de la pénétration de l'oxygène dans le métal liquide, l'oxygène réagit avec le carbone contenu dans le bain pour dégager du CO gazeux. Cette émanation de CO crée de fortes turbulences à l'intérieur du pied de bain et dans la couche de laitier surnageant.
    Les lances de postcombustion 32 injectent chacune un jet d'oxygène de postcombustion 36 ou oxygène secondaire dans la couche de laitier 22. Ces jets d'oxygène secondaire 36 sont plus mous, moins pénétrants que les jets d'oxygène primaire 34 et permettent de brûler le CO émanant du pied de bain 24 suite à l'injection de l'oxygène primaire. Le CO est donc brûlé à l'intérieur de la couche de laitier 22. Ceci conduit à une surchauffe locale du laitier. Les jets d'oxygène de postcombustion 36 sont orientés de manière à imprimer au laitier des impulsions opposées à celles des arcs, afin de renforcer le brassage du laitier et de refluer le laitier vers le centre du four électrique à arc. Le mouvement du laitier causé par les arcs électriques 33 d'une part et par les jets d'oxygène de postcombustion 36 d'autre part est représenté à la fig. 3 au moyen des flèches 38. Ceci permet d'accélérer la fusion des fines métalliques préréduites, d'éviter ainsi que celles-ci ne s'agglomèrent et ne soient poussées et collées à la paroi du four électrique à arc.
    Exemple 1 :
    Pour une puissance électrique donnée, p.ex. limitée à 12 MW, l'utilisation de carbone libre complémentaire et d'oxygène permet donc :
    • soit de fondre un débit de fines métalliques ou (DRI) au moins double,
    • soit d'enfourner des fines métalliques ou (DRI) moins métallisé, et ainsi d'accroítre la productivité du four de réduction - quelle que soit la technologie employée.
    Dans le cas du four à étages, la production de 54 ou 57 t/h de DRI à 60% de métallisation pourrait être assurée par un four d'une capacité de 50% de la capacité qui serait nécessaire pour produire 50 t/h de DRI metallisé à 90%.
    Par ailleurs, la dernière ligne du tableau 1 illustre la possibilité d'apporter du carbone supplémentaire sous forme de carbone libre en excès dans le DRI.
    Chiffrage pour la fusion de DRI enfourné à 1000°C en fonte à 3%C, coulée à 1500°C :
    Teneur Fe DRI
    %    		 Degré metallis
    %    		 C libre DRI
    %    		 Débit DRI
    t/h    		 Débit fonte
    t/h    		 Puiss. Électr.
    MW    		 Débit Oxygène
    Nm3/h    		 Débit C compl.
    t/h
    80 90 8 50 40 12 0 0
    80 90 8 125 100 12 3000 2,4
    74 60 8 54 40 12 3600 2,6
    71 60 12 57 40 12 3600 0
    Liste de références
    10
    Four électrique à arc
    12
    Cuve
    14
    Voûte
    16
    Electrodes
    18
    Dispositif de transfert
    20
    Rideau d'azote
    22
    Couche de laitier
    24
    Bain de métal liquide
    26
    Sole
    28
    Briques poreuses
    30
    Gaz inerte
    32
    lances de postcombustion
    32'
    injecteurs d'oxygène primaire
    33
    Arcs électriques
    34
    jets d'oxygène primaire
    36
    jet d'oxygène de postcombustion
    38
    mouvement du laitier

    Claims (14)

    1. Procédé de production de fonte liquide dans un four électrique à arc comprenant plusieurs électrodes, équipé d'une sole et contenant un pied de bain surmonté d'un laitier liquide non moussant, le procédé comprenant les étapes suivantes :
      a) réduction de fines métalliques pour former des fines métalliques préréduites comprenant un excès de carbone libre,
      b) transfert à chaud des fines métalliques préréduites à l'intérieur d'un rideau d'un gaz inerte dans un pied de bain contenu dans le four électrique à arc,
      c) brassage du pied de bain par injection de gaz de manière à éviter la formation de croûtes,
      d) fusion des fines métalliques préréduites dans le four électrique à arc pour obtenir de la fonte liquide.
    2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transfert des fines métalliques préréduites est effectué par gravité.
    3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le transfert des fines métalliques préréduites est réalisé dans une région située entre les électrodes du four électrique à arc.
    4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le brassage du pied de bain est réalisé par injection de gaz neutre à travers la sole du four électrique à arc à un débit compris entre 50 l/min. t et 150 l/min. t et de manière préférée à un débit entre 80 et 120 l/min.t.
    5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le brassage du pied de bain est réalisé par une injection de gaz contenant de l'oxygène dans le pied de bain au moyen d'un ou plusieurs injecteurs.
    6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape a) comprend les étapes suivantes
      a1) on introduit dans un four multi-étages comprenant plusieurs étages superposés les fines métalliques et on les dépose sur l'étage supérieur du four multi-étages,
      a2) on transfère les fines métalliques graduellement sur les étages inférieurs,
      a3) on ajoute à un ou plusieurs des étages inférieurs un réducteur carboné en une quantité suffisante pour réduire les fines métalliques et pour assurer un excès de carbone libre,
      a4) on chauffe le four multi-étages et on réduit les fines métalliques au contact du réducteur carboné et des gaz produits par le réducteur carboné à des températures adéquates,
      a5) on brûle l'excédent de gaz produit par le réducteur carboné à l'intérieur du four multi-étages et on met à profit la chaleur résultante pour sécher et préchauffer les fines métalliques.
    7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que pendant l'étape a) ou l'étape b), on ajoute des agents de formation de laitier.
    8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les agents de formation de laitier sont choisis parmi le groupe constitué de chaux, de castine et de magnésie ainsi que de leurs mélanges.
    9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'excès de carbone est compris entre 7% et 15% et de préférence voisin de 10%.
    10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réducteur carboné est du charbon.
    11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on dévolatilise le réducteur carboné pendant l'étape a).
    12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le carbone en excès est consommé pendant l'étape d).
    13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le carbone en excès est consommé par injection d'un jet de gaz de postcombustion contenant de l'oxygène dans le laitier au moyen d'une ou plusieurs lances.
    14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le(s) jet(s) de gaz de postcombustion est (sont) orienté(s) de façon de créer un mouvement du laitier vers les électrodes du four électrique à arc.
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