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EP1383933A1 - Procede de production de fonte liquide dans un four electrique - Google Patents

Procede de production de fonte liquide dans un four electrique

Info

Publication number
EP1383933A1
EP1383933A1 EP02719871A EP02719871A EP1383933A1 EP 1383933 A1 EP1383933 A1 EP 1383933A1 EP 02719871 A EP02719871 A EP 02719871A EP 02719871 A EP02719871 A EP 02719871A EP 1383933 A1 EP1383933 A1 EP 1383933A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
carbon
fines
electric arc
arc furnace
reduced
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP02719871A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1383933B1 (fr
Inventor
Jean-Luc Roth
Paul Berg
Fred Weisgerber
Fred Parasch
Emile Lonardi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Paul Wurth SA
Original Assignee
Paul Wurth SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from LU90735A external-priority patent/LU90735B1/fr
Priority claimed from LU90788A external-priority patent/LU90788B1/fr
Application filed by Paul Wurth SA filed Critical Paul Wurth SA
Publication of EP1383933A1 publication Critical patent/EP1383933A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1383933B1 publication Critical patent/EP1383933B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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 liquid pig iron.
  • metallic fines will be understood to mean all kinds of products comprising partially oxidized metallic iron.
  • Metallic fines represent iron ore particles, waste particles of all kinds containing partially oxidized iron and in particular dust from blast furnace filters and electric ovens, straws or scale particles (iron oxides formed during reheating or rolling), sludge from rolling or machining, etc.
  • SAF submerged arc furnace
  • the object of the present invention is to provide an optimized method for producing cast iron.
  • this objective is achieved by a process for producing liquid cast iron in an electric arc furnace comprising several electrodes, equipped with a hearth and containing a bath foot surmounted by a non-foaming liquid slag.
  • the process comprises the following steps: a) reduction of metallic fines to form prereduced metallic fines comprising an excess of free carbon, b) hot transfer of prereduced metallic fines inside a curtain of an inert gas in a foot of bath contained in the electric arc furnace, c) mixing of the foot of bath by injection of gas so as to avoid the formation of crusts, d) fusion of the pre-reduced metallic fines in the electric arc furnace to obtain liquid cast iron .
  • the proposed method uses the free arc electric furnace in a very specific process, consisting of charging the hot pre-reduced metallic fines (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 to work on a foot of cast iron topped with a layer of non-foaming liquid slag.
  • the mixing of the foot of the bath can be carried out by injection of a neutral gas (nitrogen, argon) through the bottom of the oven and / or by injection of gas containing oxygen by means of one or more lances.
  • the bath foot is very strongly brewed by gas injection.
  • the flow of inert gas in the proposed process is preferably between 50 l / min. t. (liters per minute and per tonne of liquid metal in the bath) and 150 l / min. t.
  • the stirring rate is between 80 and 120 l / min.t.
  • the metal bath foot must have a certain minimum height, preferably a height of at least 0.3 m, in order to guarantee vigorous mixing of the molten metal bath. Care must be taken to prevent the injection of the brewing gas from the bottom of the oven from simply making a "hole" through the metal bath, without energetically setting it in motion.
  • this minimum height can vary depending on the configuration of the electric arc furnace and the location of the gas injection means which are preferably porous bricks or else nozzles.
  • means for injecting stirring gas are positioned near the outer edge of the bottom of the electric arc furnace, that is to say laterally at the bottom of the bath, so as to bring back towards the central area. warmer, located between the electrodes, the pre-reduced fine metal particles remaining or tending to agglomerate at the edge of the oven.
  • the mixing of the bath foot is carried out by injection of gas containing oxygen by means of one or more injectors.
  • gas containing oxygen By injecting this oxygen-containing gas (hereinafter called “primary oxygen”) into the foot of the bath by means of a penetrating jet, bubbles of gaseous CO are formed by reaction with the C of the pig iron. This release of CO in the liquid metal creates turbulence which ensures vigorous mixing of the bath base and the slag.
  • a curtain of inert gas preferably nitrogen or argon.
  • the inert gas curtain preferably of annular shape, makes it possible to minimize the lateral flight of the particles by the aspiration of the furnace and the reoxidation of the pre-reduced metallic fines before they reach the slag layer respectively the foot of the bath.
  • a nitrogen flow rate of the order of 50 Nm 3 / h at 200 ° Nm 3 / h is used to form the protective curtain and thereby protect the transfer of approximately 10 to 60 t / h of metallic fines.
  • pre-reduced comprising of the order of 50% Fe metallized at a rate between 60 and 100%.
  • the transfer of the pre-reduced metallic fines is carried out in the central region of the electric arc furnace, located between the electrodes.
  • coal is preferably mixed having a diameter of between 2 and 20 mm with very small metallic fines before being placed in the electric arc furnace.
  • the quantity of coal used depends on the quantity of carbon contained in the pre-reduced metallic fines.
  • the aim is to have an excess of carbon of between 7% and 15% and preferably close to 10%. In this way, it is possible to obtain a pig iron at 3-3, 5% C, 0.01 - 0.05% Si and 0.03 - 0.06% S depending on the content S of the coal.
  • step a) comprises the following steps: ai) the metal fines are introduced into a multi-stage oven comprising several stages superposed and they are deposited on the upper stage of the multi-stage oven stages, a2) the metallic fines are transferred gradually to the lower stages, a3) a carbon reducing agent is added to one or more of the lower stages in an amount sufficient to reduce the metal fines and to ensure an excess of free carbon, a4) the multi-stage oven is heated and the metal fines are reduced in contact with the carbon reducer and gases produced by the carbon reducer at suitable temperatures, a5) the excess gas produced by the carbon reducer is burned inside the multi-stage oven and the resulting heat is used to dry and preheat metallic fines. ai) the metal fines are introduced into a multistage oven comprising several superposed stages and they are deposited on the upper stage of the multistage oven.
  • slag-forming agents are also added during step a) and / or step b).
  • These slag-forming agents are chosen, preferably from the group consisting of lime, limestone and magnesia as well as 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 reducer is chosen from coal or liquid or solid petroleum products.
  • the volatile fractions contained in the carbon reducer are eliminated during their stay inside the multi-stage oven, the sulfur also in part.
  • This objective is achieved by a process for producing liquid cast iron in an electric arc furnace described above in which one or more afterburning lances are arranged, - possibly associated with one or more primary oxygen injectors - constituting burners with a power comparable to that of electric arcs.
  • These injectors deliver post-combustion gas jets preferably between the electric arcs, particularly preferably on the electrode circle ("pitch circle electrode").
  • One of the advantages of the present process is that the operation of the two reactors is optimized. Indeed, the fact of producing a prereduced comprising an excess of free carbon increases the speed of reduction and increases the rate of metallization.
  • the excess carbon is burned in the melting furnace and therefore saves electrical energy during the melting of the particles.
  • Fig.1 Sectional view of an electric arc furnace for the production of liquid iron according to a first embodiment of the invention
  • Fig.2 Sectional view of an electric arc furnace for the production of cast iron liquid according to a second embodiment of the invention
  • Fig.3 Top view of an electric arc furnace according to Fig. 2
  • Fig.1 illustrates a schematic sectional view of an electric arc furnace for the production of liquid pig iron according to a first embodiment of the present invention.
  • an electric arc oven 10 comprising a tank 12 surmounted by a 14 through which penetrate three electrodes 16.
  • These electrodes 16 are capable of producing electric arcs of about twenty centimeters and with a power of about 4 MW each.
  • the transfer device 18 of the pre-reduced metallic fines is placed in the middle of these three electrodes 16 .
  • This device 18 comprises on the one hand a drop for transferring the pre-reduced metallic fines in the oven 12 and on the other hand an injection nozzle making it possible to inject a nitrogen curtain 20 surrounding the pre-reduced metallic fines during their fall into the oven.
  • the point of impact of the pre-reduced metallic fines is between the three electrodes 16, that is to say at the hottest point of the electric arc furnace 12. At the time of impact on the slag layer 22 non foaming supernatant the liquid metal bath 24, the pre-reduced metallic fines are immediately integrated into it and melt quickly.
  • the bottom 26 of the tank 12 is provided with several porous bricks 28 through which is injected a high flow rate of mixing gas 30.
  • the turbulence created by the injection of this gas 30 through the liquid bath 24 prevents the pre-reduced metallic fines do not clump together and form crusts.
  • Fig. 2 shows a sectional view of an electric arc furnace for the production of liquid cast iron according to a second embodiment of the invention.
  • Fig. 3 shows a top view of this electric arc furnace.
  • this electric arc furnace 10 With central gravity loading are arranged three afterburning lances 32 associated with three primary oxygen injectors 32' constituting burners of comparable power to those of the arcs, between the electric arcs 33, on the circle of electrodes ("pitch circle electrode").
  • the primary oxygen jets 34 coming from the injectors 32 ′ are penetrating jets and are oriented in the bath base 24. When the oxygen enters the liquid metal, the oxygen reacts with the carbon contained in the bath to release gaseous CO.
  • the afterburning lances 32 each inject a jet of afterburning oxygen 36 or secondary oxygen into the slag layer 22.
  • These secondary oxygen jets 36 are softer, less penetrating than the primary oxygen jets 34 and allow burning the CO emanating from the bath foot 24 following the injection of the primary oxygen.
  • the CO is therefore burned inside the slag layer 22. This leads to local overheating of the slag.
  • the afterburner oxygen jets 36 are oriented so as to impart pulses opposite to those of the arcs, in order to reinforce the mixing of the slag and to back up the slag towards the center of the electric arc furnace.
  • Table 1 Figures for the melting of DRI baked at 1000 ° C in 3% C cast iron, cast at 1500 ° C:

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Refinement Of Pig-Iron, Manufacture Of Cast Iron, And Steel Manufacture Other Than In Revolving Furnaces (AREA)
  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)

Abstract

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 : - réduction de fines métalliques pour former des fines métalliques préréduites comprenant un excès de carbone libre, - 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, - brassage du pied de bain par injection de gaz de manière à éviter la formation de croûtes, - fusion des fines métalliques préréduites dans le four électrique à arc pour obtenir de la fonte liquide.

Description

Procédé de production de fonte liquide dans un four électrique
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 représen- tent 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 fa 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 pro- duire 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.
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 in- jection 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 dégage- ment 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 : ai) on introduit dans un four multi-étages comprenant plusieurs étages su- perposés 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. ai) 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 solidi- fient 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 injec- teurs 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 ("électrode 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'accroître 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 accroît 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 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 ("électrode 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'accroître 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 métallisé 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.
Tableau 1 : Chiffrage pour la fusion de DRI enfourné à 1000°C en fonte à 3%C, coulée à 1500°C :
Liste de références Four électrique à arc Cuve Voûte Electrodes Dispositif de transfert Rideau d'azote Couche de laitier Bain de métal liquide Sole Briques poreuses Gaz inerte lances de postcombustion injecteurs d'oxygène primaire Arcs électriques jets d'oxygène primaire jet d'oxygène de postcombustion mouvement du laitier

Claims

Revendications
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, caracté- risé 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 ai) on introduit dans un four multi-étages comprenant plusieurs étages superposés les fines métalliques et on les dépose sur l'étage supé- rieur 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 pré- férence 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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