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Procédé pour la fabrication d'une éponge de fer à basse teneur en soufre.
La présente invention concerne un procédé pour la fabrication d'une éponge de fer à basse teneur en soufre.
Au sens de la présente invention, une éponge de fer est une matière ferreuse obtenue par une opération de réduction, dite directe, à partir d'oxyde de fer. Traditionnellement, l'oxyde de fer provient des minerais, où il est accompagné par diverses substances formant la gangue. A l'heure actuelle, une source intéressante d'oxyde de fer est également constituée par les oxydes superficiels recueillis à différents stades des processus de fabrication sidérurgiques, tels que les pailles de laminoirs et les boues de décapage. Cette catégorie d'oxydes ne comporte pas de gangue, mais elle est fréquemment chargée d'impuretés telles que des résidus d'huiles ou de graisses.
La description qui suit fera référence au terme général d'oxyde de fer ; ce terme englobe ici aussi bien les minerais de fer habituels que les oxydes provenant des processus sidérurgiques, soit séparément soit sous forme de mélanges en proportions quelconques.
L'éponge de fer suscite actuellement un intérêt croissant, en particulier en vue de son utilisation dans les fours électriques d'aciérie. Jusqu'à présent, la charge métallique de ces engins est principalement constituée de ferrailles, avec un complément d'autres matières ferrifères, telles que la fonte solide ou liquide. On constate cependant que la qualité de ces ferrailles a tendance à se dégrader, notamment en raison de leur teneur en éléments d'alliages qui peuvent être indésirables pour les aciers envisagés. Par ailleurs, le prix des ferrailles varie dans des proportions parfois considérables, en fonction non seulement de leur qualité mais aussi de leur disponibilité, ce qui peut compromettre l'approvisionnement des aciéries électriques en particulier.
On connaît dans la technique de nombreux procédés de fabrication d'éponge de fer.
Ces procédés sont basés sur l'utilisation d'un agent réducteur qui est en général soit gazeux soit solide. Le procédé de l'invention appartient à la catégorie des procédés
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basés sur l'utilisation d'un agent réducteur solide, qui est essentiellement un agent carboné et tout particulièrement du charbon finement divisé.
Les procédés connus dans ce domaine sont mis en oeuvre dans des fours de types divers, tels que des fours à cuve, des fours à lit fluidisé ou des fours tournants, qui peuvent nécessiter des investissements importants et entraîner des frais de fonctionnement élevés. De plus, les procédés actuellement connus souffrent d'au moins un inconvénient sérieux ; certains de ces procédés requièrent une consommation de charbon très élevée, de l'ordre de 700 kg de charbon par tonne d'éponge de fer produite, tandis que d'autres procédés conduisent à des teneurs en soufre très élevées dans l'éponge de fer, inacceptables pour les aciéries électriques. Enfin, de nombreux procédés utilisent différents liants pour agglomérer, par exemple par pelletisation ou compactage, l'agent réducteur carboné et les oxydes de fer avant l'opération de réduction.
La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'une éponge de fer, qui est basé sur l'utilisation économiquement acceptable d'un agent réducteur carboné solide et qui permet en même temps de limiter la teneur en soufre à un niveau compatible avec la marche du four à arc électrique d'aciérie. En outre, ce procédé ne requiert pas les importants investissements précités et il ne nécessite pas l'emploi de liants.
Conformément à la présente invention, un procédé pour la fabrication d'une éponge de fer à basse teneur en soufre, dans lequel on utilise un agent réducteur carboné solide, est caractérisé en ce que l'on dépose sur une soie mobile une couche de matière finement divisée constituée par un mélange d'oxydes de fer, d'agent réducteur carboné solide et d'agent désulfurant, en ce que l'on chauffe ladite couche de matière pour provoquer la gazéification au moins partielle dudit agent réducteur carboné solide, ce qui provoque le dégagement de composés gazeux du carbone et du soufre, en ce que l'on effectue la réduction desdits oxydes de fer au moyen d'au moins une partie du monoxyde de carbone (CO) contenu dans lesdits composés gazeux du carbone, en ce que l'on fixe, au moyen dudit agent désulfurant,
au moins une partie du soufre desdits composés gazeux du soufre, et en ce que l'on sépare lesdits oxydes de fer réduits et les résidus dudit agent réducteur carboné solide et dudit agent désulfurant.
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De façon connue en soi, la gazéification de l'agent réducteur carboné solide requiert un chauffage à haute température, de l'ordre d'au moins 900oC. Ce chauffage est conduit de telle façon que les composés gazeux du carbone contiennent essentiellement du monoxyde de carbone (CO), qui est un gaz très réducteur.
Le chauffage nécessaire à cette gazéification est avantageusement assuré par des brûleurs, de préférence installés dans la voûte du four contenant la sole mobile, qui produisent notamment le CO2 nécessaire au démarrage de la réaction de Boudouard :
EMI3.1
Dans la proposition qui fait l'objet de la présente invention, le CO résultant de ladite gazéification pénètre par diffusion dans les particules d'oxydes de fer où il assure la réduction desdits oxydes de fer par les réactions :
EMI3.2
Le CO2 ainsi produit dans les particules d'oxydes de fer diffuse à son tour vers les particules d'agent réducteur carboné solide, où chaque mole de CO : donne à nouveau naissance à deux moles de CO par la réaction de Boudouard rappelée plus haut.
Une de ces deux moles de CO revient par diffusion dans les particules d'oxydes de fer pour y réduire une molécule d'oxyde de fer, tandis que l'autre mole de CO s'échappe du mélange pour venir brûler au-dessus de la couche de matière, contribuant ainsi au chauffage nécessaire à la gazéification de l'agent réducteur carboné solide.
Pour que les deux fonctions précitées de réduction et de chauffage puissent être assurées de manière satisfaisante, il convient que l'agent réducteur carboné solide soit présent en quantité suffisante dans ledit mélange ; dans le cas du charbon fin, cette quantité est de préférence comprise entre 250 et 500 kg de carbone par tonne d'éponge de fer produite, selon la teneur en fer des oxydes de fer utilisés.
Il va de soi que l'agent réducteur carboné solide utilisable dans le cadre du présent procédé n'est pas limité au charbon fin, mais qu'il comprend également d'autres
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substances carbonées telles que le coke, le brai, le poussier de coke, le charbon de bois ou d'autres substances analogues.
Au cours de la gazéification dudit agent réducteur carboné solide, il se forme également des composés gazeux du soufre ; ceux-ci réagissent immédiatement avec un agent désulfurant approprié pour former des composés solides qui restent dans la couche de matière. Parmi les agents désulfurants utilisables, certains composés du calcium et notamment la chaux vive (CaO), la chaux hydratée (Ca[OH]2) et la castine (CaC03) sont particulièrement indiqués en raison d'une part de leur efficacité à réagir avec les composés gazeux pour former des composés solides et d'autre part de leur caractère économique. En particulier, la chaux peut être utilisée sous la forme d'un lait de chaux imprégnant au moins une partie dudit agent réducteur carboné solide.
Suivant une caractéristique supplémentaire, on compacte ladite couche de matière finement divisée, afin d'améliorer le transfert de la chaleur au sein de ladite couche.
Ce compactage peut par exemple être effectué par un rouleau disposé au-dessus de la sole mobile, juste après le chargement des matières.
D'une manière connue en soi, la séparation desdites particules d'éponge de fer et des résidus dudit agent réducteur carboné solide et dudit agent désulfurant est ensuite effectuée par voie magnétique, après un refroidissement et un éventuel broyage du mélange.
L'éponge de fer ainsi obtenue, qui présente une faible teneur en soufre, peut être utilisée sans difficultés dans les fours à arc électrique d'aciérie.
Le procédé de l'invention sera à présent expliqué de manière plus détaillée, à titre de simple exemple, dans la description qui suit, où il est fait référence aux dessins annexés, dans lesquels la Fig. 1 illustre schématiquement les opérations constituant une variante particulière du procédé de l'invention ; et la Fig. 2 représente une coupe transversale à travers la charge déposée sur une sole tournante.
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Dans la Fig. 1, des matières finement divisées comprenant des oxydes de fer 1, du charbon fin 2 et de la castine 3 sont mélangées dans un mélangeur 4 et le mélange obtenu M est déposé en une couche 5 sur une sole tournante 6 disposée dans un four annulaire non autrement représenté. La structure uniforme de la couche 5 est montrée schématiquement dans la coupe transversale A-A représentée dans la Fig. 2.
Dans le four, la couche 5 est chauffée au moyen de brûleurs, également non représentés, jusqu'à une température suffisante pour opérer la gazéification au moins partielle du charbon fin 2. Il se produit alors au sein de la couche 5 un dégagement de CO qui, par le mécanisme rappelé plus haut, assure d'une part la réduction des oxydes présents dans la couche 5 et d'autre part le chauffage de cette couche 5. Simultanément, le chauffage de la couche 5 donne lieu à un dégagement de composés gazeux du soufre provenant du charbon. Ces composés gazeux sont immédiatement mis en contact avec l'agent désulfurant, à savoir la castine 3, dispersé au sein de la couche 5, et le soufre est aussitôt fixé par l'agent désulfurant sous la forme de composés solides granulaires.
La présence de castine permet de fixer d'autant mieux le soufre des composés gazeux du soufre que la castine est plus finement répartie dans la couche 5. Lorsque la réduction des oxydes de fer et la désulfuration des composés gazeux du soufre sont terminées, la couche de matière présente sur la sole mobile comprend finalement les oxydes de fer réduits constituant l'éponge de fer et les résidus de l'agent réducteur carboné solide et de l'agent désulfurant ainsi que les composés solides du soufre résultant de ladite désulfuration. A la sortie du four précité, on abaisse la température de l'éponge de fer sous le point de Curie dans une étape de refroidissement 7, qui peut être suivie d'une étape de broyage 8, représentée en trait interrompu.
Enfin, il est prévu une étape de séparation magnétique 9 pour séparer les particules d'éponge de fer et les résidus granulaires R comprenant notamment les cendres de l'agent réducteur carboné solide et les composés solides du soufre, tels que le sulfure CaS.
Le procédé de l'invention n'est pas limité à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit et illustré. Il comprend aussi les modifications qu'un homme du métier pourrait y apporter, en particulier en ce qui concerne le choix de l'agent désulfurant et de l'agent réducteur.
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Process for the manufacture of a low sulfur iron sponge.
The present invention relates to a method for manufacturing a low sulfur iron sponge.
Within the meaning of the present invention, an iron sponge is a ferrous material obtained by a reduction operation, called direct, from iron oxide. Traditionally, iron oxide comes from minerals, where it is accompanied by various substances that form gangue. At present, an interesting source of iron oxide is also constituted by surface oxides collected at different stages of the steelmaking manufacturing processes, such as mill straws and pickling sludge. This category of oxides does not have any gangue, but it is frequently loaded with impurities such as residues of oils or greases.
The following description will refer to the general term iron oxide; this term here encompasses both the usual iron ores and the oxides originating from the steel processes, either separately or in the form of mixtures in any proportions.
The iron sponge is currently attracting increasing interest, in particular with a view to its use in electric steel furnaces. Up to now, the metallic charge of these devices has mainly consisted of scrap, with a complement of other ferrous materials, such as solid or liquid cast iron. However, it can be seen that the quality of these scrap tends to deteriorate, in particular because of their content of alloying elements which may be undesirable for the steels envisaged. In addition, the price of scrap varies sometimes considerably, depending not only on their quality but also on their availability, which can compromise the supply of steelworks in particular.
Numerous methods of manufacturing iron sponge are known in the art.
These methods are based on the use of a reducing agent which is generally either gaseous or solid. The process of the invention belongs to the category of processes
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based on the use of a solid reducing agent, which is essentially a carbon agent and more particularly finely divided coal.
The methods known in this field are implemented in ovens of various types, such as tank ovens, fluidized bed ovens or rotary ovens, which may require significant investment and result in high operating costs. In addition, the methods currently known suffer from at least one serious drawback; some of these processes require a very high consumption of coal, of the order of 700 kg of coal per tonne of iron sponge produced, while other processes lead to very high sulfur contents in the iron sponge , unacceptable for electric steelworks. Finally, many processes use different binders to agglomerate, for example by pelletization or compaction, the carbonaceous reducing agent and the iron oxides before the reduction operation.
The subject of the present invention is a method for manufacturing an iron sponge, which is based on the economically acceptable use of a solid carbonaceous reducing agent and which at the same time makes it possible to limit the sulfur content to a level compatible with the operation of the steel arc furnace. In addition, this process does not require the aforementioned significant investments and it does not require the use of binders.
According to the present invention, a method for the manufacture of a low sulfur iron sponge, in which a solid carbonaceous reducing agent is used, is characterized in that a layer of material is deposited on a mobile silk. finely divided consisting of a mixture of iron oxides, solid carbonaceous reducing agent and desulphurizing agent, in that said layer of material is heated to cause at least partial gasification of said solid carbonaceous reducing agent, which causes the release of gaseous carbon and sulfur compounds, in that the reduction of said iron oxides is carried out by means of at least part of the carbon monoxide (CO) contained in said gaseous carbon compounds, in that which is fixed, by means of said desulphurizing agent,
at least part of the sulfur of said gaseous sulfur compounds, and in that said reduced iron oxides and the residues of said solid carbonaceous reducing agent and said desulfurizing agent are separated.
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In a manner known per se, the gasification of the solid carbonaceous reducing agent requires heating at high temperature, of the order of at least 900oC. This heating is carried out in such a way that the gaseous carbon compounds essentially contain carbon monoxide (CO), which is a very reducing gas.
The heating necessary for this gasification is advantageously provided by burners, preferably installed in the roof of the oven containing the movable hearth, which in particular produce the CO2 necessary for the start of the Boudouard reaction:
EMI3.1
In the proposal which is the subject of the present invention, the CO resulting from said gasification penetrates by diffusion into the particles of iron oxides where it ensures the reduction of said iron oxides by the reactions:
EMI3.2
The CO2 thus produced in the particles of iron oxides in turn diffuses towards the particles of solid carbonaceous reducing agent, where each mole of CO: again gives rise to two moles of CO by the Boudouard reaction mentioned above.
One of these two moles of CO returns by diffusion into the particles of iron oxides to reduce an iron oxide molecule there, while the other mole of CO escapes from the mixture to burn above the layer of material, thus contributing to the heating necessary for the gasification of the solid carbonaceous reducing agent.
So that the two abovementioned reduction and heating functions can be satisfactorily performed, the solid carbonaceous reducing agent should be present in sufficient quantity in said mixture; in the case of fine coal, this amount is preferably between 250 and 500 kg of carbon per tonne of iron sponge produced, depending on the iron content of the iron oxides used.
It goes without saying that the solid carbonaceous reducing agent which can be used in the context of the present process is not limited to fine carbon, but that it also comprises other
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carbonaceous substances such as coke, pitch, coke dust, charcoal or the like.
During the gasification of said solid carbonaceous reducing agent, gaseous sulfur compounds are also formed; these react immediately with a suitable desulfurizing agent to form solid compounds which remain in the layer of material. Among the desulphurizing agents which can be used, certain calcium compounds and in particular quicklime (CaO), hydrated lime (Ca [OH] 2) and castine (CaCO3) are particularly indicated because of their effectiveness in reacting with gaseous compounds to form solid compounds and secondly their economic nature. In particular, lime can be used in the form of a milk of lime impregnating at least part of said solid carbonaceous reducing agent.
According to an additional characteristic, said layer of finely divided material is compacted, in order to improve the transfer of heat within said layer.
This compaction can for example be carried out by a roller placed above the movable hearth, just after the loading of the materials.
In a manner known per se, the separation of said particles of iron sponge and of the residues of said solid carbonaceous reducing agent and said desulfurizing agent is then carried out by magnetic means, after cooling and possible grinding of the mixture.
The iron sponge thus obtained, which has a low sulfur content, can be used without difficulty in electric arc furnaces of steelworks.
The process of the invention will now be explained in more detail, by way of simple example, in the description which follows, where reference is made to the appended drawings, in which FIG. 1 schematically illustrates the operations constituting a particular variant of the method of the invention; and Fig. 2 shows a cross section through the load deposited on a rotating floor.
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In Fig. 1, finely divided materials comprising iron oxides 1, fine coal 2 and limestone 3 are mixed in a mixer 4 and the mixture obtained M is deposited in a layer 5 on a rotary hearth 6 placed in a non-annular oven otherwise shown. The uniform structure of the layer 5 is shown schematically in the cross section A-A shown in FIG. 2.
In the oven, the layer 5 is heated by means of burners, also not shown, to a temperature sufficient to operate the at least partial gasification of the fine coal 2. There is then produced within the layer 5 a release of CO which, by the mechanism recalled above, ensures on the one hand the reduction of the oxides present in layer 5 and on the other hand the heating of this layer 5. Simultaneously, the heating of layer 5 gives rise to a release of compounds sulfur gas from coal. These gaseous compounds are immediately brought into contact with the desulfurizing agent, namely castine 3, dispersed within the layer 5, and the sulfur is immediately fixed by the desulfurizing agent in the form of granular solid compounds.
The presence of castine makes it possible to fix the sulfur all the better for the gaseous sulfur compounds that the castine is more finely distributed in the layer 5. When the reduction of the iron oxides and the desulfurization of the gaseous sulfur compounds are completed, the layer of material present on the movable hearth finally comprises the reduced iron oxides constituting the iron sponge and the residues of the solid carbonaceous reducing agent and of the desulfurizing agent as well as the solid sulfur compounds resulting from said desulfurization. At the outlet of the above-mentioned oven, the temperature of the iron sponge is lowered below the Curie point in a cooling step 7, which can be followed by a grinding step 8, shown in broken lines.
Finally, a magnetic separation step 9 is provided for separating the iron sponge particles and the granular residues R comprising in particular the ashes of the solid carbonaceous reducing agent and the solid sulfur compounds, such as the sulphide CaS.
The method of the invention is not limited to the embodiment which has just been described and illustrated. It also includes the modifications that a person skilled in the art could make to it, in particular as regards the choice of the desulfurizing agent and the reducing agent.