WO1999028512A1 - Procede de reduction d'oxydes de fer et de fusion du fer et installations a cet effet - Google Patents

Procede de reduction d'oxydes de fer et de fusion du fer et installations a cet effet Download PDF

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    • Y02P10/20—Recycling

Definitions

  • the present invention relates to a new process for the reduction of iron oxides with the production of a liquid melting phase, making it possible to produce metal in the molten state from iron oxides, such as for example ores or recycled products and coal and / or gas.
  • the invention aims to obtain a number of economic advantages which will be described below compared to known techniques.
  • the present invention also relates to installations allowing the implementation of this method.
  • DRI direct iron oxide
  • the DRIs are obtained in particular by gaseous reduction (HYL, idrex process) or by reduction from carbon sources as in the SL-RN, Fastmet, Inmetco or Circofer, Cornet processes or according to the European patent application filed by the applicant on 01/28/1998 under number 98200242.0.
  • Most of these techniques have the major drawback that a product is obtained in a reduced state, generally qualified as iron sponges, of very low density and with a high specific surface promoting re-oxidation of iron.
  • iron sponges generally have an apparent density of 1.5 to 2 kg / dm ⁇ and are compacted to a value of 5 to 5.5
  • significant latent heat which is present in the reduced material before cooling is lost.
  • Some of the proposed reduction techniques are based on the use of solid carbon sources, such as charcoal, which are added in excess to ensure sufficient reduction. This excess of carbon sources is added to other waste products containing ash, which must be disposed of.
  • the pig iron produced in the molten phase can be used in all usual applications such as casting in small ingots or refining operations in steelworks, for example in electric steelworks or in oxygen converters.
  • the present invention particularly aims to transform reduced iron oxides directly after their production and continuously to obtain cast iron in a liquid state under economically more advantageous conditions and with more compact and improved technological equipment compared to the equipment. existing.
  • the aim is in particular to produce continuously a preferably desulphurized and separate pig iron from slag, with reduced and economical energy consumption by the choice of fuels and by energy recovery by direct recycling of the combustion gases in the upstream installation.
  • the method of the invention comprises at least two consecutive steps, the first of which is a conventional step of reduction to a degree of metallization of the order of 80 to 94%, and preferably from 85 to 90% with the addition of fondants for the nuance of the slag to be produced in the second stage.
  • the second stage is a stage of development of the font which immediately follows the first stage. For the second stage of ironmaking, we proceed in two successive sub-stages. First, a further reduction of the iron oxide is carried out. up to almost 100%.
  • the reduced iron oxides of the first reduction step can result from any reduction process, which can be carried out, inter alia, in a rotary hearth oven, in a shaft oven, in a rotary oven or in a fluidized bed.
  • the implementation of the invention is all the more advantageous from the economic point of view that the reduced product is at a higher temperature, that is to say contains more latent heat.
  • the energy necessary for the fusion can be supplied by induction or possibly using an electric arc, for example a submerged arc.
  • This " feed element opens at one end of a rotary tubular furnace, the opposite end of which is open and connected on the one hand to a unit for removing the pig iron and the dairy, preferably funnel-shaped, and secondly to a gas evacuation unit.
  • a burner located on the supply side provides the heat input necessary for the melting of the material to be treated while an injection lance, located at the other end of the oven, performs the desuifurization of the bath. The burner can be placed on the drain side or even be split if the melting behavior requires it.
  • the above-mentioned constituent elements of the installation are preferably mounted on a common frame so as to be able to tilt the assembly.
  • the oven is preferably mounted on crowns resting on rollers driven by suitable motors and transmissions.
  • the inclination of the frame which supports, among other things, the rotary kiln can be controlled so as to carry out a continuous rocking movement of the kiln which has the effect of intermittently bringing back the hot iron coming from the discharge end of the kiln towards the feed end of the latter and consequently, to cause a pulsed flow movement of the cast iron at the outlet no longer continuous but discontinuous or even better pulsed.
  • This ensures better melting of the charge, by bringing from the discharge outlet a hot melt which mixes with the colder liquid bath at the feed end.
  • the essential characteristic of the invention is that all transfers from the production unit of the DRI to the stage of production of the cast iron are effected by gravity, taking care to reduce the heat losses.
  • liquid pig iron produced has a precisely dosed carbon content greater than 3%, preferably of the order of 4.5 to 5.5%, which generally, for most of the iron ores put in work, makes it possible to obtain a molten cast iron having favorable fluidity characteristics.
  • the procedure is that the gas produced in the underlying oven is supplied directly via a gas evacuation duct to the first stage to make its contribution by its latent heat and its reducing capacity .
  • a regulating valve allows, as the metallized mixture is unloaded, to create a buffer zone of sufficient weight to, during its spillage, penetrate with force, also due to its height, in the surface of the liquid of the underlying furnace, which considerably accelerates its melting.
  • This underlying melting furnace is provided with equipment for the intermittent discharge of liquid pig iron, preferably for simplicity in the form of a siphon in which the pig iron and the slag are separated in a manner known per se.
  • the slag is preferably granulated or can coagulate in basins provided for this purpose. Both forms of slag are known marketable by-products.
  • Liquid pig iron is a particularly useful product, for example in refining processes such as electric ovens
  • EAF oxygen converters
  • BOF oxygen converters
  • the process of the invention in two successive stages with gravity displacement also makes it possible to process recyclable by-products originating from steel plants.
  • the cast iron produced can be used directly in the molten state but also in the form of ingots.
  • the almost total absence of iron oxides at the end of the second stage guarantees an extended service life for the refractory lining of the discharge mouth of the reactor and for the induction furnace.
  • the process of the invention is characterized by very high productivity: in the steel production process as a result of the use of starting materials in the liquid state instead of the solid materials produced in particular in the DRI process.
  • the choice of the DRI process to carry out the first step is guided by the most economical conditions according to local circumstances to be coupled with the second step of the process.
  • the process also has a number of advantages from a purely energy point of view.
  • the continuous coupling of the two stages prevents any loss of energy.
  • the useful gases released by the second step can be reused.
  • the excess fuel (coal) from the first step can be used advantageously in the second step.
  • Excess carbon participates in the feed line in the final reduction of unreduced iron oxides; the excess carbon in the second stage participates in the nuance of the cast iron.
  • the supply conduits connecting the first and second stages make it possible to produce a particularly compact installation, which also reduces investment.
  • the melting unit of the second stage is presented with a very small footprint.
  • cast iron constitutes a much more stable raw material (more re-oxidation) and advantageous than scrap, which causes enormous qualitative problems as a result of the impurities present.
  • Cast iron contains a complementary energy source in the form of the carbon present. Desuifuration is done as for the melting of a blast furnace.
  • the feed unit of this installation consists of a feed chute or any other suitable feed system such as an Archimedes screw, which is mounted on a disc in which also opens the universal burner.
  • a feed chute or any other suitable feed system such as an Archimedes screw
  • On this disc can be simultaneously mounted an injector of powdered coal in order on the one hand to avoid reoxidation of the charge, and on the other hand to achieve the final reduction of the iron sponge and to add to the bath the carbon necessary to obtain a quality cast iron.
  • This disc is fixed and is connected to one end of the rotary kiln, for example by means of double-tight seals mounted on a compensator, the intermediate chamber of the seal preferably being able to be pressurized with inert gas, preferably nitrogen. , the assembly allowing the relative movement between the fixed disc and the rotary kiln and taking up thermal expansions.
  • the feed unit is itself connected to a conduit or a chute connected to the DRI production unit of the first stage.
  • the pivot point of the chassis in order to adjust the inclination of the axis of rotation of the melting furnace, is ideally located at the center of the connection surface of the supply duct. This device makes it possible to regulate the flow rate of cast iron to be discharged or even to interrupt the pouring thereof, for example to change the device for discharging the liquid cast iron.
  • a valve preferably a double valve, which allows the passage of solid materials but prevents a gas reflux towards the furnace for the production of
  • DRI can be provided, preferably upstream of the aforementioned rotation point.
  • the gas evacuation unit is connected by a compensator of the same type as above to an external fixed duct.
  • the entire installation is of course provided with a coating of refractory material.
  • the cast iron produced can be used for the production of steels from, for example, electric furnaces or BOF type converters, with the aim of reducing the duration of the production cycle of these compared to the oven cycles of DRI.
  • the invention achieves a constructive design which is simple, compact and inexpensive.
  • the installation of the invention also aims to obtain an increased service life of the refractory lining because the typical phenomena of erosion and chemical attack appearing in the slag, for example in an electric oven, are avoided because of the stirring and very particularly in the second variant of the invention as a result of the continuous rotation of the melting furnace around its horizontal axis of rotation. It is also possible to avoid the use of a separate dedusting installation and to obtain almost complete recovery of the latent heat of the combustion gases in the installations located upstream of the melting furnace.
  • the equipment of the casting area is particularly simple and safe, no plugging and drilling machine for the casting being necessary as in the case of a blast furnace casting floor.
  • the invention therefore provides an economical method of producing cast iron, both for investment and for operating costs, which remains profitable even for small modules producing for example only 250 kt per year. In general, it can be envisaged to operate with a smaller number of personnel, since the installation and its use are both simple and reliable, likewise the degree of risk and consequently of accident is very reduced compared to to known installations.
  • FIG. 1 represents the general diagram of an installation for implementing the method.
  • FIG. 2 represents an installation with supply conduits, gas discharge conduit and submerged arc furnace according to the first variant of the invention.
  • FIG. 3 represents a schematic section of an installation according to the second variant of the invention, with its connection to a DRI supply chute as well as its connection to the equipment for removing the treated material and to the gas evacuation installation.
  • FIG. 4 shows a view of the fixed disc mounted on the supply end of the rotary kiln.
  • FIG. 5 represents a view of a device for separating liquid pig iron and slag, with a seal allowing the rotation of the oven with respect to the non-rotating elements of the invention.
  • FIG. 6 represents a schematic view of a first form with a conical narrowing of the oven from upstream to downstream.
  • FIG. 7 represents a schematic view of a second form with a stepped narrowing of
  • FIG. 8 schematically represents certain additional equipment in a rotary oven which is shown in longitudinal section.
  • FIG. 9 represents a section AA at the level of the supply end.
  • the installation is formed by the iron oxide reduction furnace 18, by the DRI supply conduits 20 and by the submerged arc electric furnace 11 in which the first stage, the loading with DRI take place successively. the melting of the latter, as well as via the gas evacuation pipe 17.
  • the DRI at a temperature above
  • the slag can undergo granulation and be used for the usual uses of blast furnace slag in particular.
  • the installation represented in FIG. 3 consists essentially on the one hand of a rotary oven 101 provided at one end (upstream end taking into account the direction of movement of the materials) of a supply unit 103 of DRI 102 and at the other end (downstream side) of an opening 104 connected to a discharge unit 107 for the liquid pig iron and slag and to a gas discharge unit 109.
  • FIG. 4 represents the feed unit 103 composed inter alia of a disc 103, forming a buffer, provided with an inclined feed chute 106.
  • a burner 113 opens into an oven.
  • the penetration length of the burner in the oven is adjustable in order to optimize the melting of the pile of DRI 131 at the inlet of the oven 101.
  • This burner can be mounted on the opposite side, it can also be split by having a burner on each side.
  • the disc 103 can also be provided with an injector 114 of powdered coal.
  • a peripheral seal 119 allows the rotation of the oven relative to the fixed disc.
  • the other end of the oven is open and opens on the one hand towards the unit 135 and on the other hand towards the unit 109.
  • Appropriate seals 120 are again provided to allow the rotation of the oven.
  • the assembly constituted by the oven 101 and the units 103, 107 and 135 (or 137) is carried by a frame 115. It is on this frame that rollers 125 are mounted supporting the rotary oven 101. This oven is itself even provided with crowns 123 resting on the rollers.
  • the rollers 125 are driven directly or indirectly by a motor
  • the entire chassis, with the rotary 101 and fixed 103, 107 and 135 (or 137) equipment that it supports, can be inclined relative to the horizontal on the pivot point 134 located at this connection.
  • connection to the gas evacuation unit 107 to a recycling duct 109 to the DRI oven and its sealing are made by a compensator 129.
  • a second working situation is that in which the oven must undergo a major overhaul. In this case, it suffices to separate the chute 106 from the conduit 105 in order to be able to move the chassis with the integrated unit.
  • the installation can also be dismantled by separating the oven 101 from the unit 103 at one end and from the units 107 and 135 (or 137) at the other end (with disassembly, of course, of the various seals and compensators).
  • the installation of the invention is designed so that it can be very quickly either dismantled and replaced by a complete reserve installation, or partially dismantled and replaced by one of its constituent elements.
  • Both the oven 101 and the units 103, 107, 109 and 135 (or 137) are provided with an adequate refractory lining capable of withstanding the temperatures and the load.
  • the liquid iron discharge unit which preferably takes the form of a funnel 135 as shown in FIG. 3, can be provided with a siphon 137 as for example shown in FIG. 5.
  • a siphon 137 as for example shown in FIG. 5.
  • the geometry of the disc 103 as well as that of the oven lining 101 at the place where they join is chosen in a timely manner to ensure the best possible operation of the installation.
  • the heat necessary for melting is provided essentially by radiation from the burner flame above the charge and from that of the walls of the furnace.
  • the hot refractory lining of the rotary kiln heats the bath by direct contact.
  • the burner mounted on the disc 103 can advantageously be moved longitudinally relative to the axis of rotation of the furnace for adjustments which in particular make it possible to avoid reoxidation of the material supplied.
  • FIGS. 6 and 7 two forms of an installation equivalent to installation 101 have been illustrated.
  • the form is tapered towards the outlet.
  • the shape has "stairs" from one end to the other.
  • the furnace has a diameter at the feed end which is greater than the diameter of the discharge end.
  • the furnace has a diameter at the feed end which is greater than the diameter of the discharge end.
  • the oven can perform a tilting movement.
  • the feed unit in the general form of a disc illustrated by the reference 103 can be equipped (as already indicated in the previous applications) with a device 114 for injecting powdered coal, with a lance with oxygen injection which preferably dips into the melt and a burner 113. It also appeared advantageous to provide, by the feed chute, 106 or by a complementary conduit, the possibility of recycling, for example using a siphon 162, part of the cast iron produced.
  • a partial separation panel 163 driven by the rotation of the oven and provided with a central opening 165 as well as peripheral openings 164 as illustrated. This panel 163 allows the evacuation of gases and the transfer of cast iron to the evacuation end of an upstream compartment but retains the rejected slag and the foam produced by intense activity of the bath during the injection of by means of the oxygen lance 161.

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Abstract

Prodédé de réduction d'oxydes de fer et de fusion du fer, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux étapes consécutives, à savoir: une première étape classique de réduction jusqu'à un degré de métallisation de l'ordre de 80 à 94 %, et de préférence de 85 à 90 % et un chauffage à une température supérieure à 1000 °C et au maximum jusqu'à une température proche du point de fusion; et une deuxième étape d'alimentation du mélange de fer métallisé, de gangue, de fondants et d'excès de charbon dans un four de fusion contenant une phase fondue de fonte, le métal et le laitier étant ensuite prélevés, de préférence en continu, par exemple par débordement.

Description

PROCEDE DE REDUCTION D'OXYDES DE FER ET DE FUSION DU FER ET INSTALLATIONS A CET EFFET
Objet de l'invention
La présente invention concerne un procédé nouveau de réduction d'oxydes de fer avec production d'une phase liquide de fonte, permettant de produire du métal à l'état fondu au départ d'oxydes de fer, tels par exemple que des minerais ou des produits recyclés et de charbon et/ou de gaz. L'invention vise à obtenir un certain nombre d'avantages économiques qui seront décrits ci -après par rapport aux techniques connues.
La présente invention concerne également des installations permettant la mise en oeuvre de ce procédé.
Arrière-plan technologique à la base de l'invention
L'accroissement de la production électrique d'acier a augmenté la nécessité de disposer de voies alternatives permettant d'éviter l'utilisation de ferrailles, les ferrailles de qualité adéquate devenant de plus en plus rares .
De même, la concurrence entre producteurs et la stagnation des prix de vente, ainsi que les pressions écologiques grandissantes poussent les aciéristes à développer des nouveaux procédés de production à des prix de revient plus bas et moins polluants. Diverses techniques de réduction de l'oxyde de fer dite directe (DRI) ont été développées récemment dans ce but . Les DRI sont notamment obtenus par exemple par réduction gazeuse (procédé HYL, idrex) ou par réduction à partir de sources carbonées comme dans les procédés SL-RN, Fastmet, Inmetco ou Circofer, Cornet ou suivant la demande de brevet européen déposée par la demanderesse le 28/01/1998 sous le numéro 98200242.0. La plupart de ces techniques présentent comme inconvénient majeur le fait que l'on obtient un produit à l'état réduit, qualifié généralement d'épongés de fer, de très faible densité et à surface spécifique élevée favorisant une ré-oxydation du fer. Ceci provoque des difficultés de stockage et de transport, et dans la plupart des cas, rend nécessaire un compactage onéreux pour permettre la mise en oeuvre ultérieure. A titre d'exemple, les éponges de fer présentent généralement une densité apparente de 1,5 à 2 kg/dm^ et sont compactées jusqu'à une valeur de 5 à 5,5
Figure imgf000004_0001
De plus, la chaleur latente importante qui est présente dans le matériau réduit avant refroidissement est perdue .
Certaines des techniques de réduction proposées sont basées sur l'emploi de sources carbonées solides, comme du charbon, qui sont ajoutées en excès pour assurer une réduction suffisante. Cet excès de sources carbonées est ajouté à d'autres produits résiduaires contenant des cendres, dont il faut se débarrasser.
Tous ces inconvénients peuvent être évités par un processus de réduction / fusion par étapes selon l'invention. La fonte brute produite en phase fondue peut être utilisée dans toutes les applications habituelles telles que la coulée en petits lingots ou les opérations d'affinage en aciérie, par exemple en aciérie électrique ou dans des convertisseurs à oxygène.
Buts de 1 ' invention
La présente invention vise tout particulièrement à transformer des oxydes de fer réduits directement après leur production et de manière continue pour obtenir de la fonte à l'état liquide dans des conditions économiquement plus avantageuses et avec des équipements technologiques plus compacts et améliorés par rapport aux équipements existants.
On vise en particulier la production en continu d'une fonte de préférence désulfurée et séparée du laitier, d'une consommation énergétique réduite et économique de par le choix des combustibles et de par une récupération d'énergie par recyclage direct des gaz de combustion dans l'installation en amont.
Eléments caractéristiques de l'invention
Le procédé de l'invention comporte au moins deux étapes consécutives, dont la première est une étape classique de réduction jusqu'à un degré de metallisation de l'ordre de 80 à 94%, et de préférence de 85 à 90% avec ajout de fondants pour la mise en nuance du laitier à produire dans la deuxième étape. La deuxième étape est une étape d'élaboration de la fonte qui suit immédiatement la première étape . Pour la deuxième étape d'élaboration de la fonte, on procède en deux sous-étapes successives. D'abord, on procède à une réduction complémentaire de l'oxyde de fer jusqu'à quasiment 100%. Ceci peut être réalisé à l'aide d'un réacteur compact avec un noyau permettant le passage de gaz ou avec une lance d'injection, avec alimentation de charbon préchauffé par le haut, on transfère immédiatement le mélange de fer quasiment totalement métallisé, de gangue, de fondants et d'excès de charbon directement dans un four contenant une phase fondue de fonte, le métal et le laitier étant ensuite évacués, de préférence en continu, par exemple par débordement . Les oxydes de fer réduits de la première étape de réduction peuvent résulter de n'importe quel procédé de réduction, qui peut se réaliser entre autres dans un four à sole tournante , dans un four à cuve , dans un four rotatif ou dans un four à lit fluidisé. La mise en oeuvre de l'invention est d'autant plus intéressante du point de vue économique que le produit réduit se trouve à température plus élevée, c'est-à-dire comporte plus de chaleur latente .
Selon une première variante d'exécution, l'énergie nécessaire pour la fusion peut être fournie par induction ou éventuellement à l'aide d'un arc électrique, par exemple un arc submergé .
Il est également possible de procéder, selon une deuxième variante d'exécution, à une réduction complémentaire et à une fusion continue dans une installation unique constituée essentiellement par l'unité d'alimentation de la matière à traiter qui provient, de préférence directement, de la première étape à une température aussi haute que possible. Cet "élément d'alimentation débouche à une extrémité d'un four tubulaire rotatif dont l'extrémité opposée est ouverte et raccordée d'une part à une unité d'évacuation de la fonte et du laitier, de préférence en forme d'entonnoir, et d'autre part à une unité d ' évacuation des gaz. Un brûleur situé du côté de l'alimentation assure l'apport thermique nécessaire pour la fusion de la matière à traiter tandis qu'une lance à injection, située à l'autre extrémité du four, réalise la désuifurisation du bain. Le brûleur peut être placé côté vidange ou même être dédoublé si le comportement de la fusion l'exige.
Dans ce cas, les éléments constitutifs susmentionnés de l'installation sont de préférence montés sur un châssis commun de manière à pouvoir incliner l'ensemble. De manière classique, le four est de préférence monté sur des couronnes reposant sur des galets entraînés par des moteurs et transmissions adéquats. L'inclinaison du châssis qui supporte, entre autres, le four rotatif peut être commandée de façon à réaliser un mouvement continu de bascule du four qui a pour effet de ramener en intermittence la fonte chaude en provenance de l'extrémité d'évacuation du four vers l'extrémité d'alimentation de celui-ci et par voie de conséquence, de provoquer un mouvement d'écoulement puisé de la fonte à la sortie non plus continu mais discontinu ou encore mieux puisé. On assure ainsi une meilleure fusion de la charge, en ramenant depuis la sortie d'évacuation une masse fondue chaude qui se mélange avec le bain liquide plus froid se trouvant à l'extrémité d'alimentation. Ceci provoque simultanément une homogénéisation de la teneur en carbone qui subit un accroissement lors du déplacement depuis l'extrémité d'alimentation vers l'extrémité d' évacuâtion .
L'homogénéisation accroît la capacité de fusion et la capacité réductrice favorisant ainsi les propriétés du bain fondu. L'accroissement de la teneur en carbone entraîne un abaissement de la température de solidification de la fonte, ce qui influence également très favorablement le déroulement du processus . La configuration générale du four constitue également un facteur important pour influencer le processus de fusion de l'éponge de fer. Il est apparu qu'un diamètre intérieur plus important à l'extrémité d'alimentation comparé à l'extrémité d'évacuation convient particulièrement à cet effet, en particulier en combinaison avec l'effet de basculement précité, en accroissant le volume de la fonte, de même qu'en accroissant l'effet de pompage et finalement en accroissant la capacité de fusion.
La caractéristique essentielle de l'invention est que tous les transferts depuis l'unité de production du DRI vers l'étape d'élaboration de la fonte s'effectuent par gravité en veillant à réduire les pertes thermiques .
On observera que la technique de l'invention se différentie essentiellement des solutions de l'état de la technique par le fait que tout d'abord, dans les différentes variantes d'exécution, on réalise une réduction quasi complète des oxydes de fer mis en oeuvre et que les matières résultantes circulent directement vers un bain constitué par une phase de fonte liquide, sans interruption et surtout sans refroidissement important entre les étapes.
On veille à ce que la fonte liquide produite présente une teneur précisément dosée en carbone supérieure à 3%, de préférence de l'ordre de 4,5 à 5,5%, ce qui généralement, pour la plupart des minerais de fer mis en oeuvre, permet d'obtenir une fonte fondue présentant des caractéristiques de fluidité favorables. D'autres détails relatifs au procédé conforme à l'invention seront décrits plus en détails ci-après.
Selon la première variante d'exécution précitée, on procède en sorte que le gaz produit dans le four sous-jacent soit alimenté directement via un conduit d'évacuation des gaz vers la première étape pour apporter sa contribution par sa chaleur latente et sa capacité réductive .
Dans le conduit d'alimentation du mélange métallisé provenant de la première étape, un clapet régulateur permet, au fur et à mesure du déchargement du mélange métallisé, de créer une zone tampon d'un poids suffisant pour, lors de son déversement, pénétrer avec force, également par suite de sa hauteur, dans la surface du liquide du four sous-jacent, ce qui accélère considérablement sa fusion.
Ce four de fusion sous-jacent est pourvu d'un équipement de déchargement intermittent de la fonte liquide, de préférence pour la simplicité sous forme d'un siphon dans lequel la fonte et le laitier sont séparés de manière en soi connue. Le laitier est de préférence granulé ou peut coaguler dans des bassins prévus à cet effet . Les deux formes de laitier sont des sous-produits connus commercialisables . La fonte brute à l'état liquide constitue un produit particulièrement utile, par exemple dans les process d'affinage tels que les fours électriques
(EAF) ou les convertisseurs à oxygène (BOF) .
Bien que le procédé ait été décrit pour la réduction d'oxydes de fer, il peut s'appliquer cependant également pour la réduction d'autres oxydes métalliques ou mélanges de ceux-ci avec des oxydes de fer, en particulier les métaux utilisés conjointement avec le fer pour la production d'alliages tels que l'acier inox. Il s'applique également pour la récupération des poussières des hauts fourneaux, des convertisseurs et des fours électriques.
Le procédé de 1 ' invention en deux étapes successives avec déplacement gravitaire permet également de traiter des sous-produits recyclables provenant d'installations sidérurgiques.
La fonte produite peut être utilisée directement à l'état fondu mais également sous forme de lingots.
L'absence quasi totale d'oxydes de fer en fin de la deuxième étape garantit une durée de vie prolongée pour le revêtement réfractaire de 1 ' embouchure de déchargement du réacteur et pour le four à induction. Le procédé de l'invention se caractérise par une productivité très élevée : dans le processus de production d'acier par suite de la mise en oeuvre de produits de départ à l'état liquide au lieu de matières solides produites notamment dans le procédé DRI . Le choix du procédé DRI pour réaliser la première étape est guidé par les conditions les plus économiques en fonction des circonstances locales pour être couplé avec la deuxième étape du procédé .
Le procédé présente également un certain nombre d'avantages du point de vue purement énergétique.
Le couplage continu des deux étapes évite toute perte d'énergie. D'autre part, les gaz utiles libérés par la deuxième étape peuvent être réutilisés. L'excès de combustible (charbon) provenant de la première étape peut être utilisé avantageusement dans la deuxième étape. Le charbon en excès participe dans le conduit d'alimentation à la réduction finale des oxydes de fer non réduits; le charbon en excès dans la seconde étape participe à la mise en nuance de la fonte .
Les conduits d'alimentation reliant la première et la seconde étapes permettent de réaliser une installation de forme particulièrement compacte, ce qui réduit également les investissements. L'unité de fusion de la deuxième étape se présente avec un encombrement très réduit .
Finalement , la technique permet une utilisation optimale des matières de recyclage.
Du point de vue qualitatif, il convient de noter que la fonte constitue une matière première bien plus stable (plus de ré-oxydation) et avantageuse que les ferrailles, qui occasionnent des problèmes qualitatifs énormes par suite des impuretés présentes . La fonte contient une source énergétique complémentaire sous forme du carbone présent. La désuifuration se fait comme pour la fonte d'un haut fourneau.
Ainsi qu'il a été indiqué, on peut, selon une deuxième variante d'exécution de l'invention, également réaliser dans une installation unique les deux sous-étapes constituant la deuxième étape de l'invention.
Avantageusement, dans ce cas, l'unité d'alimentation de cette installation est constituée d'une goulotte d'alimentation ou de tout autre système d'alimentation adéquat tel qu'une vis d'Archimède, qui est monté sur un disque dans lequel débouche également le brûleur universel . Sur ce disque peuvent être montés simultanément un injecteur de charbon en poudre afin d'une part d'éviter une réoxydation de la charge, et d'autre part de réaliser la réduction finale de l'éponge de fer et d'ajouter au bain le carbone nécessaire à l'obtention d'une fonte de qualité.
Ce disque est fixe et se raccorde à une extrémité du four rotatif, par exemple par le biais de joints à double étanchéité montés sur un compensateur, la chambre intermédiaire du joint pouvant de préférence être mise sous pression de gaz inerte, de préférence d'azote, l'ensemble permettant le mouvement relatif entre le disque fixe et le four rotatif et reprenant les dilatations thermiques .
De manière similaire, à l'autre extrémité du four rotatif des dispositifs similaires reprennent la dilatation et permettent la rotation de l'extrémité opposée du four par rapport à l'unité d'évacuation de la fonte et du laitier.
L'unité d'alimentation est elle-même raccordée à un conduit ou à une goulotte raccordé à l'unité de production de DRI de la première étape. Le point de pivotement du châssis, en vue d'ajuster l'inclinaison de l'axe de rotation du four de fusion, se situe idéalement au niveau du centre de la surface de raccordement du conduit d'alimentation. Ce dispositif permet de régler le débit de fonte à évacuer ou même d'en interrompre le versement, par exemple pour changer le dispositif d'évacuation de la fonte liquide.
Avantageusement un clapet, de préférence un double clapet, qui permet le passage des matières solides mais empêche un reflux gazeux vers le four de production de
DRI, peut être prévu, de préférence en amont du point de rotation susmentionné. De la même manière, l'unité d'évacuation des gaz est raccordée par un compensateur du même type que ci- dessus à un conduit fixe extérieur.
L'ensemble de l'installation est bien entendu pourvu d'un revêtement en matière réfractaire .
D'autres détails et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'une forme d'exécution préférée de l'invention.
La fonte produite peut être utilisée pour l'élaboration d'aciers au départ par exemple de fours électriques ou de convertisseurs de type BOF, dans le but de réduire la durée du cycle d'élaboration de ceux-ci par rapport aux cycles à enfournement de DRI .
L'invention réalise une conception constructive qui est simple, compacte et bon marché.
Elle utilise également des sources énergétiques peu coûteuses, telles que du gaz naturel, du gaz de cokerie et/ou du charbon en poudre ainsi que des combustibles provenant de déchets recyclés à haute valeur énergétique tels que des huiles, des matières plastiques, etc. qui ont été conditionnés à cet effet, comparées aux fours classiques électriques, en particulier aux fours à induction ou à arc.
L'installation de l'invention vise encore à obtenir une durée de vie accrue du revêtement réfractaire du fait que les phénomènes typiques d'érosion et d'attaque chimique apparaissant au niveau du laitier, par exemple dans un four électrique, sont évités du fait du brassage et tout particulièrement dans la seconde variante d'exécution de l'invention par suite de la rotation continue du four de fusion autour de son axe de rotation horizontal . On peut également éviter le recours à une installation séparée de dépoussiérage et à obtenir une récupération quasiment totale de la chaleur latente des gaz de combustion dans les installations situées en amont du four de fusion.
Grâce à la conception spécifique des éléments constitutifs de l'installation, on peut réaliser de manière simple un échange d'une unité nécessitant un renouvellement du revêtement par une unité de rechange sans interruption significative de la production.
L'équipement de la zone de coulée est particulièrement simple et sûr, aucune machine de bouchage et de forage pour la coulée n'étant nécessaire comme dans le cas d'un plancher de coulée de haut fourneau. L'invention fournit donc un procédé économique de production de fonte, aussi bien pour les investissements que pour les frais d'exploitation, qui reste rentable même pour des petits modules ne produisant par exemple que 250 kt par an. De manière générale, on peut envisager d'opérer avec un personnel plus réduit, du fait que l'installation et son utilisation sont à la fois simples et fiables, de même le degré de risque et par conséquent d'accident est très réduit par rapport aux installations connues.
Le procédé produit un laitier, de caractéristiques proches de celui des hauts fourneaux, pouvant être facilement valorisé ce qui n'est pas le cas du laitier produit par chargement direct de DRI dans un procédé d'élaboration de l'acier. Brève description des dessins
La figure 1 représente ,1e schéma général d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé . La figure 2 représente une installation avec conduits d'alimentation, conduit d'évacuation des gaz et four à arc submergé selon la première variante de l'invention.
La figure 3 représente une coupe schématique d'une installation selon la seconde variante de l'invention, avec son raccordement à une goulotte d'alimentation du DRI ainsi que son raccordement à l'équipement d'évacuation de la matière traitée et à l'installation d'évacuation des gaz.
La figure 4 représente une vue du disque fixe monté sur l'extrémité d'alimentation du four rotatif. La figure 5 représente une vue d'un dispositif de séparation de fonte liquide et de laitier, avec joint d'étanchéité permettant la rotation du four par rapport aux éléments non rotatifs de l'invention. La figure 6 représente une vue schématique d'une première forme avec un rétrécissement conique du four de l'amont vers l'aval.
La figure 7 représente une vue schématique d'une seconde forme avec un rétrécissement en escalier de
1 ' amont vers 1 ' aval .
La figure 8 représente schématiquement certains équipements complémentaires dans un four rotatif qui est représenté en coupe longitudinale . La figure 9 représente une coupe A-A au niveau de l'extrémité .d'alimentation.
Nomenclature pour la figure 1 1. Four de réduction des oxydes de fer
2. Conduit d'alimentation du four de fusion en fer métallisé
3. Four de fusion
4. Conduit d'évacuation des gaz de combustion du four de fusion
5. Installation d'affinage de la fonte
6. Installation de traitement du laitier
Description du schéma d'exécution de l'invention II est prévu, après une première étape classique de production DRI 1, de transférer le mélange métallisé (DRI) par un conduit d'alimentation 2 du four de fusion 3. Les gaz de combustion du four de fusion sont évacués par un conduit 4 vers le four DRI, tandis que la fonte est évacuée vers une installation d'affinage 5 et le laitier vers une installation de traitement du laitier 6.
Nomenclature pour la figure 2
11. Four électrique à arc submergé 12. Electrodes
13. Laitier
14. Fonte
15. Goulotte d'évacuation du laitier
16. Goulotte d'évacuation de la fonte 17. Conduit d'évacuation des gaz de combustion du four de fusion 18. Four de réduction d'oxydes de fer du type à sole tournante
19. Sole du four de réduction
20. Conduit d'enfournement du mélange métallisé 21. Clapet régulateur de débit a. Sens de l'évacuation de la fonte b. Sens de l'évacuation du laitier c. Sens de l'évacuation des gaz de combustion d. Sens de l'enfournement du mélange métallisé
Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention selon la première exécution (figure 2)
L'installation est formée par le four de réduction des oxydes de fer 18, par les conduits d'alimentation en DRI 20 et par le four électrique à arc submergé de fusion 11 dans lesquelles se déroulent successivement la première étape, le chargement en DRI et la fusion de celui-ci, ainsi que par le conduit d'évacuation de gaz 17. Le DRI, à une température supérieure à
1000 °C, mélangé à un excès de charbon, à de la chaux et à d'autres agents, est évacué de la sole 19 dans l'un des quatre conduits d'évacuation 20. Un clapet régulateur de débit 21 libère de façon intermittente le mélange métallisé qui, au travers du laitier, pénètre dans la fonte en fusion. Les électrodes 12 du four de fusion plongent dans le laitier 13 dans lequel l'arc électrique est formé. La fonte produite est évacuée par la goulotte 16, le laitier par la goulotte 15 et les gaz de combustion sont évacués par la goulotte 17 et réinjectés dans le four de réduction 18. La fonte liquide peut être utilisée pour tout usage classique.
Le laitier peut subir une granulation et être utilisé pour les usages habituels du laitier de haut- fourneau notamment .
Dans les figures 3 à 9, on décrit une seconde variante d'exécution de l'invention. Les repères de référence suivants ont été utilisés .
Nomenclature des figures 3 à 9
101. Four rotatif
102. DRI
103. Unité d'alimentation (disque)
104. Ouverture côté aval 105. Conduit d'alimentation
106. Goulotte d'alimentation
107. Unité d'évacuation de fonte liquide, de laitier et des gaz
109. Conduit d'évacuation des gaz 111. Lance de désuifurisation
112. Brûleur
113. Brûleur
114. Injection de charbon en poudre
115. Châssis 117. Double clapet
119. Joint d'étanchéité
120. Joint d'étanchéité
121. Elément compressible 123. Couronnes 125. Galets.
127. Fenêtre d'observation 129. Compensateur 131 . Tas de DRI
132. Débordement de la charge liquide
133. Gaz
134. Point de pivotement 135. Entonnoir
137. Siphon 139. Fonte 141. Laitier
L'installation représentée à la figure 3 est constituée essentiellement d'une part par un four rotatif 101 pourvu à une extrémité (extrémité d'amont compte tenu du sens de déplacement des matières) d'une unité d'alimentation 103 de DRI 102 et à l'autre extrémité (côté aval) d'une ouverture 104 raccordée à une unité d'évacuation 107 de la fonte liquide et du laitier et à une unité d'évacuation des gaz 109.
La figure 4 représente l'unité d'alimentation 103 composée entre autres d'un disque 103, formant tampon, pourvu d'une goulotte inclinée d'alimentation 106. Par ce même disque, un brûleur 113 débouche dans un four. La longueur de pénétration du brûleur dans le four est réglable afin d'optimaliser la fusion du tas de DRI 131 à l'entrée du four 101. Ce brûleur peut être monté du côté opposé, il peut également être dédoublé en disposant un brûleur de chaque côté. Le disque 103 peut être également pourvu d'un injecteur 114 de charbon en poudre. Un joint d'étanchéité périphérique 119 permet la rotation du four par rapport au disque fixe.
L'autre extrémité du four est ouverte et débouche d'une part vers l'unité 135 et d'autre part vers l'unité 109. Des joints appropriés 120 sont à nouveau prévus pour permettre la rotation du four.
L'ensemble constitué par le four 101 et les unités 103, 107 et 135 (ou 137) est porté par un châssis 115. C'est sur ce châssis que sont montés des galets 125 supportant le four rotatif 101. Ce four est lui-même pourvu de couronnes 123 reposant sur les galets. Les galets 125 sont entraînés directement ou indirectement par un moteur
(non représenté) . Le raccordement des extrémités de la goulotte
106 au conduit 105 est réalisé par un élément comprimable
121.
Le châssis dans son entièreté, avec les équipements rotatifs 101 et fixes 103, 107 et 135 (ou 137) qu'il supporte, peut être incliné par rapport à l'horizontale sur le point de pivotement 134 situé au niveau de ce raccordement .
Deux situations de travail sont prévues. Dans la première situation, le four est en production, son axe de rotation étant légèrement incliné.
Dans ce cas, par suite de la compressibilité du joint 121 de la goulotte 106 et du conduit 105, le mouvement de rotation maintient l'étanchéité de la liaison. Par suite de la longueur du four rotatif 101, même une faible inclinaison peut entraîner un déplacement vertical de l'ordre de 10 à 20 cm de l'extrémité aval du four.
Le raccordement à l'unité d'évacuation des gaz 107 vers un conduit de recyclage 109 vers le four DRI et son étanchéité sont réalisés par un compensateur 129.
Une seconde situation de travail est celle dans laquelle le four doit subir une réfection importante. Dans ce cas, il suffit de désolidariser la goulotte 106 du conduit 105 pour pouvoir , déplacer le châssis avec l'unité intégrée. L'installation peut également être démontée en désolidarisant le four 101 de l'unité 103 à une extrémité et des unités 107 et 135 (ou 137) à l'autre extrémité (avec démontage, bien entendu, des différents joints et compensateurs) .
Il est alors possible, par exemple si l'on souhaite une réfection complète du manteau réfractaire du four 101, de le disposer par exemple verticalement, des moyens appropriés de manutention étant prévus à cet effet.
Dans la pratique, l'installation de l'invention est conçue de manière à pouvoir être très rapidement soit démantelée et remplacée par une installation de réserve complète, soit partiellement démantelée et remplacée par un de ses éléments constitutifs .
Il est par exemple possible de déconnecter très rapidement l'installation du four d'alimentation DRI et de procéder à son remplacement par une installation de rechange préchauffée.
Divers équipements peuvent être prévus dans 1 ' installation.
Aussi bien le four 101 que les unités 103, 107, 109 et 135 (ou 137) sont pourvus d'un revêtement réfractaire adéquat capable de résister aux températures et à la charge .
L'unité d'évacuation de la fonte liquide qui affecte de préférence la forme d'un entonnoir 135 comme représenté dans la figure 3, peut être pourvu d'un siphon 137 comme par exemple représenté dans la figure 5. De même, il est possible de prévoir dans la paroi faisant face à l'ouverture 104, une fenêtre d'observation 127 par exemple.
Dans cette paroi, il est également possible de prévoir une lance de désulfurisation 111 ainsi qu'une lance à oxygène située à la partie supérieure du bord de l'ouverture 104 pour assurer un dégarnissage des dépôts de fonte et de laitier qui pourraient se former à ce niveau.
La géométrie du disque 103 ainsi que celle du revêtement de four 101 à l'endroit où ils se joignent est choisie de manière opportune pour assurer le meilleur fonctionnement possible de l'installation.
Par suite de 1 ' inclinaison du four et bien entendu de sa forme représentée, il est nécessaire de garder un bain de matière fondue 131 tout en assurant un déplacement progressif de cette matière (de la gauche vers la droite dans la figure 3) . La matière à traiter qui est alimentée est en principe plus légère que ce bain et "flotte" partiellement à sa surface. II convient de noter que la matière à traiter, en plus de sa fusion, subit une réduction finale dans le four et une carburation jusqu'à une teneur à 4% en carbone grâce à l'injection de charbon en poudre.
La chaleur nécessaire à la fusion est assurée essentiellement par rayonnement de la flamme du brûleur au- dessus de la charge et par celui des parois du four. En plus, le garnissage réfractaire chaud du four rotatif échauffe le bain par contact direct.
Contrairement aux réacteurs de fusion et fours électriques dans lesquels des usures rapides du revêtement résultant de l'attaque par le laitier sont généralement observées, se traduisant par une usure locale, un phénomène d'usure locale n'est pas observé dans l'installation de l'invention, ce qui contribue fortement à sa longévité .
Le brûleur monté sur le disque 103 peut avantageusement être déplacé longitudinalement par rapport à l'axe de rotation du four pour des réglages qui permettent notamment d'éviter une réoxydation de la matière alimentée. La même chose s'applique pour le brûleur 112 disposé éventuellement côté vidange. Avantageusement, on prévoit, de préférence dans le conduit d'alimentation 105, un double clapet anti- retour 117 pour les gaz qui permet cependant le passage des matières solides alimentées dans le four. Ce clapet anti- retour est destiné à empêcher un refoulement des gaz de combustion du brûleur.
Dans les figures 6 et 7 , on a illustré deux formes d'une installation équivalente à l'installation 101. Dans le cas de la figure 6, la forme est tronconique vers la sortie. Dans le cas de la figure 7, la forme présente des "escaliers" d'une extrémité à l'autre.
Ainsi qu'on l'a indiqué, il est avantageux que le four présente un diamètre à l'extrémité d'alimentation qui est supérieur au diamètre de l'extrémité d' évacuâtion . De plus, ainsi que l'illustrent les flèches
160, le four peut effectuer un mouvement de basculement.
L'unité d'alimentation se présentant sous la forme générale d'un disque illustré par le repère 103 peut être équipée (comme déjà indiqué dans les demandes antérieures) d'un dispositif 114 d'injection de charbon en poudre, d'une lance à injection d'oxygène qui, de préférence, plonge dans la masse fondue et d'un brûleur 113. Il est apparu également avantageux de prévoir, par la goulotte d'alimentation, 106 ou par un conduit complémentaire, la possibilité de recycler à l'aide par exemple d'un siphon 162 une partie de la fonte produite. Dans les dessins, on a illustré un panneau de séparation partielle 163 entraîné par la rotation du four et pourvu d'une ouverture centrale 165 ainsi que d'ouvertures périphériques 164 tel qu'illustré. Ce panneau 163 permet l'évacuation des gaz et le transfert de la fonte vers l'extrémité d'évacuation d'un compartiment d'amont mais retient les scories rejetées et la mousse produite par une activité intense du bain lors de l'injection d'oxygène au moyen de la lance à oxygène 161.
Bien que 1 ' on ait représenté une forme d'exécution préférée de l'invention, il doit être bien entendu que de nombreuses variantes d'exécution restent possibles dans le cadre de l'invention, en particulier des revendications qui suivent.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de réduction d'oxydes de fer, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux étapes consécutives, à savoir : - une première étape classique de réduction des oxydes de départ jusqu'à un degré de metallisation de l'ordre de 80 à 94%, et de préférence de 85 à 90%, et un chauffage à une température supérieure à 1000 °C et au maximum jusqu'à une température proche du point de fusion; et — une deuxième étape d'alimentation gravitaire directe du mélange de fer métallisé, de gangue, de fondants et d'excès de charbon dans un four de fusion contenant une phase fondue de fonte, le métal et le laitier étant ensuite prélevés, de préférence en continu, en particulier par débordement.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par l'absence d'une étape intermédiaire de refroidissement afin que l'énergie résiduelle du mélange de fer métallisé soit complètement récupérée.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les gaz de combustion du four de fusion sont alimentés directement vers l'étape de réduction des oxydes de fer pour y apporter leur contribution par leur chaleur latente et leur capacité réductive.
4. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un four
(1) de réduction des oxydes de fer pour la première étape et un four de fusion (3) pour la deuxième étape, reliés par un ou plusieurs conduits munis de clapets pour l'alimentation du four de fusion (3) en mélange de fer métallisé provenant de la première étape par transfert gravitaire et un ou des onduits d'évacuation (4) des gaz de combustion du four de fusion (3) vers le four (1) de réduction des oxydes de fer, ainsi que des unités d'évacuation de la fonte vers une installation d'affinage de la fonte (5) et des unités d'évacuation du laitier vers une installation de traitement du laitier (6) .
5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que le four de fusion (3) est un four à induction, les courants d'induction provoquant un brassage du bain fondu, sans turbulences exagérées.
6. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que le four de fusion (3) est un four à arc électrique, en particulier à arc submergé.
7. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que le four de fusion (3) est constitué essentiellement d'une unité d'alimentation de la matière à traiter débouchant à une extrémité du four tubulaire rotatif dont l'extrémité opposée est ouverte et raccordée d'une part à une unité, de préférence en forme d'entonnoir, d'évacuation du fer fondu et du laitier, et d'autre part à une unité d'évacuation des gaz, un brûleur multiple combustible assurant l'apport thermique nécessaire pour la fusion de la matière à traiter.
8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que les éléments constitutifs du four de fusion sont montés sur un châssis commun de manière d'une part à pouvoir incliner le four rotatif et les équipements complémentaires sans interruption de la production et d'autre part à permettre un échange rapide de l'ensemble ou de certains des éléments constitutifs .
9. Installation selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que l'unité d'alimentation est raccordée à un conduit ou goulotte monté sur l'unité DRI et •qu'un point de pivotement du châssis en vue de réaliser une inclinaison de 1 ' installation se situe de préférence au niveau de la ligne de raccordement, des compensateurs tels que des soufflets d'expansion assurant un raccordement étanche au gaz à ce niveau .
10. Installation selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que l'unité d'évacuation des gaz recueille essentiellement des gaz de combustion chauds, et est de préférence raccordée directement aux équipements en amont qui fournissent la matière à traiter dans l'installation.
11. Installation selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisée en ce que l'unité d'alimentation en amont du four est constituée d'une goulotte d'alimentation ou de tout autre système d'alimentation adéquat tel qu'une vis d'Archimède, qui est monté sur un disque dans lequel débouche également le brûleur .
12. Installation selon la revendication 11, caractérisée en ce que le disque comporte un injecteur de charbon en poudre afin, d'une part, d'éviter une réoxydation de la charge, et d'autre part, de réaliser la réduction finale de l'éponge de fer et d'ajouter au bain le carbone nécessaire à l'obtention d'une fonte de qualité.
13. Installation selon l'une quelconque des revendications 7 à 12, caractérisée en ce qu'elle comporte des clapets qui permettent le passage des matières solides en empêchant un reflux gazeux.
14. Installation selon l'une quelconque des revendications 7 à 13 , caractérisée en ce que la paroi faisant face à l'ouverture d'évacuation est pourvue d'une lance de désuifurisation de fonte, d'une fenêtre d'observation et éventuellement du brûleur inversé ou d'un deuxième brûleur .
15. Installation selon l'une quelconque des revendications 7 à 14 , caractérisée en ce que, par suite de l'inclinaison du four et de sa forme, il est possible de garder un bain de matière fondue tout en assurant un déplacement progressif de cette matière.
16. Installation selon l'une quelconque des revendications 7 à 15, caractérisée en ce qu'un châssis basculant permet l'interruption de la coulée continue pour permettre le remplacement des dispositifs de transfert remplis de fonte liquide.
PCT/EP1998/007550 1997-12-03 1998-11-20 Procede de reduction d'oxydes de fer et de fusion du fer et installations a cet effet WO1999028512A1 (fr)

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