WO2001009394A1 - Procede de reduction d'oxydes metalliques et dispositif pour la mise en oeuvre du procede - Google Patents
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- At least a fraction of the second part of the reducing agent can be mixed with metal oxides before being deposited or during its deposition.
- This mixture can comprise between 60 and 100% of carbonaceous reducing agent and between 0 and 40% of metal oxides, preferably between 80 and 100% of carbonaceous reducing agent and between 0 and 20% of metal oxides, these values being a function of the nature of the metal oxides, the reducing agent used and the reaction conditions.
- the content of carbonaceous reducing agent in the lower layer is between the theoretical content necessary for the complete reduction of the metal oxides and a content of 100% by weight, preferably between 30% and 70% by weight and particularly preferably between 35% and 60% by weight.
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de réduction d'oxydes métalliques dans un four à sole tournante en forme de couronne, dans lequel un réducteur carboné et des oxydes métalliques sont déposés en une bande sur une partie de ladite sole tournante et sont ensuite transportés en un mouvement substantiellement en forme hélicoïdale vers un dispositif d'évacuation. Ce procédé est caractérisé en ce qu'une partie du réducteur est préchauffée et mélangée avec les oxydes métalliques préchauffés avant et/ou pendant le dépôt en un mélange sur la sole tournante, en ce qu'une deuxième partie du réducteur est déposée sur le mélange, et en ce que les composantes volatiles du réducteur carboné et le monoxyde de carbone sont utilisés pour réduire les oxydes métalliques.
Description
PROCEDE DE REDUCTION D'OXYDES METALLIQUES ET DISPOSITIF POUR LA MISE EN ŒUVRE DU PROCEDE
La présente invention concerne un procédé de réduction d'oxydes métalliques, notamment d'oxydes de fer ainsi qu'un dispositif pour la mise en œuvre du procédé.
La réduction directe d'oxydes métalliques, notamment des minerais mais également de différents oxydes métalliques à recycler s'est largement développée ces dernières années.
Dans le document LU-60981 -A (Société Anonyme des Minerais), on décrit un procédé pour fabriquer une éponge de fer comportant l'utilisation d'un réacteur continu à sole tournante avec un déplacement de matière de la périphérie vers le centre, alimenté d'abord en charbon et ensuite, après que le charbon a été cokéfié, par du minerai de fer en « pellets » ou en morceaux préchauffés à la température de réaction. Des racloirs fixes assurent un déplacement du charbon vers le centre du four et mélangent le charbon cokéfié au minerai au fur et à mesure de la rotation de la sole tournante. Après réaction, la charge est évacuée par un puits central.
Un des désavantages de l'état de la technique est que les constituants volatils du charbon ne participent pas à la réduction des oxydes métalliques. Ce procédé ne permet d'obtenir ni une productivité élevée ni une bonne homogénéisation en température et en matière de la charge.
L'objet de la présente invention est de proposer un procédé de réduction d'oxydes métalliques utilisant de manière plus efficace les capacités réductrices des constituants volatils d'un réducteur carboné.
Conformément à l'invention, cet objectif est atteint par un procédé de réduction d'oxydes métalliques dans un four à sole tournante en forme de couronne dans lequel un réducteur carboné et des oxydes métalliques sont déposés en une bande sur une partie de ladite sole
tournante et sont ensuite transportés en un mouvement substantiellement en forme hélicoïdale vers un dispositif d'évacuation, caractérisé en ce qu'une première partie du réducteur est préchauffée et mélangée avec les oxydes métalliques préchauffés avant et/ou pendant le dépôt en un mélange sur la sole tournante, en ce qu'une deuxième partie du réducteur est déposée sur le mélange, et en ce que les composantes volatiles du réducteur carboné et le monoxyde de carbone sont utilisés pour réduire les oxydes métalliques.
Contrairement aux procédés de l'état de la technique, dans le procédé selon l'invention, au moins une partie des constituants volatils du réducteur carboné, en particulier l'hydrogène et le méthane, sont mis en œuvre pour leur capacité réductive.
Le procédé selon l'invention permet d'augmenter les vitesses de réaction par un mélange des oxydes métalliques et du réducteur carboné en utilisant de manière efficace les capacités réductrices des constituants volatils du réducteur carboné par leur passage forcé à travers le mélange préchauffé qui constitue la charge du four.
Un des avantages de ce procédé réside dans le fait que les composantes volatiles c.-à-d. les gaz de distillation du réducteur carboné sont utilisés dans une première phase pour réduire les oxydes métalliques alors que dans les procédés connus, ces gaz sont brûlés et servent à chauffer les matières solides.
La réduction des oxydes métalliques se fait donc en deux phases respectivement par au moins deux réactions chimiques différentes. Ces phases de réaction peuvent se dérouler simultanément ou successivement.
La première phase de réduction se fait à l'aide d'hydrogène et/ou de méthane dégagés lors de réchauffement du réducteur carboné. Les cinétiques de réaction de ces réactions sont plus favorables que celles du monoxyde de carbone à des températures inférieures à 900°C.
Les constituants volatils précités sont libérés progressivement et entrent en contact avec les oxydes métalliques déposés sur la sole du four, dans des conditions opératoires telles, en particulier en ce qui concerne la température de réaction, qu'ils participent à la réduction de ceux-ci.
Les oxydes métalliques et les gaz réducteurs libérés entrent en contact à des températures aussi élevées que possible, sans cependant perturber le déroulement du processus de réduction.
Le fait de diviser la quantité de réducteur en plusieurs parties et de déposer ces parties successivement permet d'exploiter au mieux les constituants volatiles du réducteur. La deuxième partie du réducteur déposée sur la couche constituée d'un mélange de réducteur et d'oxydes métalliques permet d'éviter la réoxydation des oxydes métalliques réduits pendant leur séjour dans le four.
Lorsqu'on subdivise la deuxième partie du réducteur en plusieurs fractions, on minimise la quantité de compostants volatiles du réducteur qui s'échappent de la couche déposée sans réagir avec les oxydes métalliques. De plus, on maintient une couche riche en éléments réducteur en contact avec la surface supérieure de la charge ce qui minimise la réoxydation des oxydes métalliques déjà partiellement réduits pendant leur séjour dans le four, et la formation de fayalite en surface est également minimisée.
De préférence, la deuxième partie du réducteur carboné déposée sur la charge est subdivisée en plusieurs fractions. Ces fractions sont avantageusement chauffées avant leur dépôt.
Ces fractions constituent avantageusement jusqu'à 20 % de la quantité totale de réducteur mis en œuvre, cette quantité étant fonction des oxydes et du réducteur mis en œuvre et des conditions de réaction. La deuxième partie du réducteur carboné est subdivisée par exemple en deux
fractions comprenant chacune jusqu'à 10 % de la quantité totale de réducteur mis en œuvre.
Au moins une fraction de la deuxième partie du réducteur peut être mélangée à des oxydes métalliques avant d'être déposée ou pendant son dépôt. Ce mélange peut comprendre entre 60 et 100 % de réducteur carboné et entre 0 et 40% d'oxydes métalliques, de préférence entre 80 et 100 % de réducteur carboné et entre 0 et 20% d'oxydes métalliques, ces valeurs étant fonction de la nature des oxydes métalliques, du réducteur mis en œuvre et des conditions de réaction.
II est important de noter que la qualité et/ou la nature du réducteur mis en œuvre ne doit pas nécessairement être le même. Ainsi il est envisageable de choisir pour la première partie un réducteur plus riche en volatiles et pour la deuxième partie, déposée ultérieurement, un réducteur moins riche en volatilesou vis versa.
Le réducteur carboné de la première et/ou de la deuxième partie est de préférence préchauffé à une température jusqu'à 200 °C tandis que les oxydes métalliques sont de préférence préchauffés à une température allant jusqu'à 850 °C.
Il est intéressant de mettre en œuvre les oxydes métalliques à une température d'alimentation aussi élevée que possible tout en évitant leur agglomération.
Le préchauffage des constituants se fait de préférence au moyen de la chaleur récupérée des gaz de combustion évacués du four dans des échangeurs thermiques.
Ces conditions opératoires conduisent à une augmentation de la capacité de production par unité de surface et à une réduction de la quantité de dioxyde de carbone rejetée dans l'atmosphère par quantité unitaire d'oxydes métalliques réduits obtenue.
Ce procédé a également comme avantage d'évacuer moins de poussières hors du four grâce à un contrôle de la vitesse de ces gaz tout en maintenant minimal le volume du four. L'éponge métallique obtenue présente une meilleure homogénéité du degré de réduction dans la masse que les produits résultant des techniques connues.
On utilise, de préférence, un excès d'au moins 10% en réducteur carboné, cet excès étant défini par rapport à la quantité théorique nécessaire pour la réduction des oxydes.
Selon un mode de réalisation particulier, on propose un procédé de réduction directe d'oxydes métalliques dans un four à sole tournante, dans lequel l'on dépose sur une partie dite d'enfournement de la sole sur une certaine largeur de la couronne, qui dépend du diamètre et de la capacité du four, une charge comprenant plusieurs couches. Ces couches peuvent être déposées simultanément ou successivement.
La teneur en oxydes métalliques et en réducteur carboné des couches peut être différente. De préférence, la teneur en oxydes métalliques des couches supérieures est supérieure à la teneur en oxydes métalliques des couches inférieures. Les couches inférieures contiennent avantageusement un excès en réducteur carboné. La teneur en réducteur carboné des couches supérieures est par conséquent inférieure à celle des couches inférieures. Dans un tel cas, il existe une sorte de gradient de concentration en oxydes métalliques, concentration qui augmente de la sole en direction de la surface supérieure de la charge. Une quantité plus importante de constituants volatils est donc libérée dans les couches profondes et ces gaz diffusent à travers les couches vers la surface supérieure de la charge où ces constituants volatils rencontrent une plus forte concentration en oxydes métalliques. Comme la température des couches inférieures est moins élevée que la température des couches supérieures, les constituants volatils du réducteur carboné sont libérés progressivement dans les couches inférieures et rencontrent lors de leur
diffusion vers la sur ace supérieure des oxydes métalliques très chauds. En effet, les couches supérieures sont plus chaudes que les couches inférieures, d'une part parce que ces couches supérieures contiennent une plus forte concentration en oxydes métalliques préchauffés à des températures plus élevées que le réducteur carboné et d'autre part parce que ces couches sont en contact avec l'atmosphère du four. Les constituants volatils participent donc plus efficacement à la réduction des oxydes métalliques.
Avantageusement, la teneur en réducteur carboné de la couche inférieure est comprise entre la teneur théorique nécessaire pour la réduction complète des oxydes métalliques et une teneur de 100% en poids, de manière préférée entre 30% et 70% en poids et de manière particulièrement préférée entre 35% et 60% en poids.
La teneur en réducteur carboné de la couche supérieure est preferentiellement inférieure à 25 % en poids et de manière particulièrement préférée est inférieure à 16% en poids.
Selon un mode de réalisation avantageux, la charge est chauffée à l'intérieur du four jusqu'à une température de 900 - 1250 °C et de préférence de 1050 à 1150°C.
Avantageusement, le mélange de réducteur carboné et d'oxydes métalliques respectivement la charge est retourné(e) et mélangé(e) progressivement pendant son séjour à l'intérieur du four.
Selon un autre mode de réalisation préféré, on forme à la surface de la charge une surface profilée en formant des sillons respectivement des monticules pour favoriser l'échange thermique entre la partie supérieure du four et la charge par une augmentation de l'efficacité du rayonnement du four et par une augmentation de la surface d'échange thermique avec l'atmosphère du four.
La pente des sillons respectivement des monticules est comprise habituellement entre 20° et 65° et de préférence entre 40° et 65°.
De préférence, on crée à la surface de la charge une surface en dents de scie.
La ou les fractions de la deuxième partie du réducteur peuvent être chargées soit dans le creux des sillons soit sur les crêtes des silions.
Selon un mode de réalisation préféré, la charge, respectivement le mélange est chargé(e) sur une partie intérieure de la sole en forme de couronne et est transféré(e) en un mouvement substantiellement hélicoïdal vers la partie extérieure de la sole et après réaction, il (elle) est évacué(e) par la partie externe de la couronne.
Le mélange est généralement évacué après quatre tours ou plus.
Avantageusement au moins une fraction de la deuxième partie du réducteur carboné est déposée sur le mélange au moins un tour avant l'évacuation dudit mélange.
La (les) couche(s) de mélange de réducteur carboné et d'oxydes métalliques est (sont) déposée(s) de préférence sur une partie correspondant à 1/4 ou moins de la largeur de la couronne.
De manière préférée, la deuxième partie du réducteur carboné est déposée sur une partie de la sole tournante correspondant au maximum à 1/4 de la largeur de la couronne.
Lors de son séjour à l'intérieur du four, la densité apparente ou densité en vrac de la charge diminue c.-à-d. que son volume augmente. Les propriétés d'écoulement de la charge varient et notamment l'angle de déversement ou l'angle de talus augmente, c.-à-d. que la pente
des monticules respectivement des sillons peut devenir de plus en plus raide au fur et à mesure de la progression de la charge à l'intérieur du four à sole tournante.
Comme la charge est transportée, selon un mode de réalisation préféré, de la partie centrale de la sole tournante vers la partie extérieure, l'augmentation de son volume apparent peut être compensée en modifiant un ou plusieurs des paramètres suivants : la largeur de la bande, la largeur de la base des sillons, le nombre de sillons et la pente des sillons.
Une postcombustion des gaz libérés lors de la réduction est réalisée de préférence dans la partie intérieure de la couronne du four.
Avantageusement, l'évacuation des gaz et le déplacement de la charge à l'intérieur du four se font radialement à contre-courant.
Le préchauffage du réducteur et des oxydes métalliques se fait communément au moyen de la chaleur récupérée des gaz de combustion et des gaz de post combustion.
Il est apparu avantageux de mélanger de la chaux aux oxydes métalliques et/ou au réducteur carboné, celle-ci d'une part réagissant comme catalyseur de la réaction et d'autre part évitant des phénomènes d'adhérence des éponges métalliques. De plus, la chaux contribue généralement à la désulfuration de la fonte et à la formation d'un laitier ou de scories plus fluides.
Dans une application particulière, la couche du mélange d'oxydes métalliques / réducteur carboné est constituée par une couche de pellets incluant ces constituants.
Le terme "oxydes métalliques" englobe aussi bien les minerais de métaux, en particulier le minerai de fer, que les oxydes métalliques à recycler provenant de la sidérurgie et de la fonderie, par exemple des hauts-fourneaux, des aciéries, des fours électriques ou des
laminoirs, qu'un mélange de ces sources d'oxydes avec des fines de coke ou avec du charbon, le cas échéant sous forme de pellets.
On entend par réducteur carboné toute matière carbonée à l'état solide ou liquide tel que p.ex. le charbon, la lignite et les dérivés du pétrole. En général, l'agent réducteur est du charbon avec une teneur en constituants volatils aussi élevée que possible dans le cadre du procédé, de préférence avec une teneur supérieure à 15% en constituants volatils.
Selon un autre aspect de l'invention, on propose également un four à sole tournante pour la réduction d'oxydes métalliques comprenant une sole tournante en forme de couronne subdivisée en :
• une zone d'enfournement,
• au moins une zone intermédiaire adjacente à la zone d'enfournement,
• une zone de déchargement adjacente à la zone intermédiaire,
la zone d'enfournement comprenant un dispositif pour déposer sur une bande de la sole tournante une charge comprenant une ou plusieurs couches d'un mélange d'oxydes métalliques et d'un réducteur,
la zone intermédiaire ainsi qu'éventuellement la zone d'enfournement du four comprenant un dispositif permettant de réaliser un brassage progressif d'une partie supérieure et d'une partie sous-jacente de la charge tout en déplaçant la charge radialement au fur et à mesure de la rotation de la sole,
la zone intermédiaire ainsi qu'éventuellement la zone de déchargement du four comprenant un dispositif pour déposer
sur la charge une ou plusieurs couches d'un réducteur éventuellement mélangé à des oxydes métalliques ;
la zone de déchargement comprenant un dispositif de déchargement permettant d'évacuer la charge métallisée en un ou plusieurs points de déchargement.
Dans un mode de réalisation avantageux, le four comprend un dispositif créant à la surface de la couche déposée des sillons ou des monticules de façon à obtenir une surface essentiellement en dents de scie.
Le dispositif pour déposer une ou plusieurs couches d'un mélange d'oxydes métalliques et d'un réducteur ainsi que le dispositif pour déposer sur la charge une ou plusieurs couches d'un réducteur éventuellement mélangé à des oxydes métalliques sur le premier mélange d'oxydes métalliques et d'un réducteur comprennent éventuellement un appareil pour mélanger à chaud le réducteur carboné et les oxydes métalliques avant, après ou pendant le dépôt des couches.
Le four comporte avantageusement un équipement permettant de réaliser le brassage qui comprend des râteaux pourvus de socs disposés à la manière des dents d'un râteau, lesdits râteaux étant fixes et disposés radialement dans le four.
Ces râteaux comprennent de préférence des socs pénétrant la couche en déplaçant le mélange radialement vers le côté d'évacuation de la couronne.
Les socs sont généralement décalés, c'est-à-dire disposés légèrement en quinconce par rapport aux sillons ou monticules formés par les socs du râteau précédent, de manière à enlever ou raboter un côté en pente de chaque sillon et former ainsi un nouveau sillon.
Selon un mode de réalisation préféré, des équipements permettent, par une première action, de faire tomber les sommets des dents de scie qui sont la partie la plus chaude des sillons dans le creux des sillons, et par une seconde action, de ramener une face de chaque dent de scie sur une face de la dent de scie adjacente de façon à recouvrir la matière amenée par la première action.
L'angle d'attaque des socs est préférablement compris entre 20° et 30° par rapport à la tangente des sillons. L'angle d'attaque des socs peut à tout moment être adapté pour inverser le sens de déplacement radiale de la charge et pour augmenter le temps de séjour de celle-ci à l'intérieur du four.
De manière préférée, les socs sont formés de manière à provoquer un retournement de la charge.
Selon un mode d'exécution particulier, le dispositif de déchargement comprend une vis sans fin ou un déflecteur. Dans le cas où l'on utilise un déflecteur pour effectuer le déchargement du four, la largeur de la couronne du four peut être plus importante que si l'on utilise une vis sans fin. En effet, vu les températures élevées régnant à l'intérieur du four, la vis sans fin au-delà d'une certaine longueur est mécaniquement trop chargée.
II est avantageux d'utiliser un dispositif de déchargement qui assure un débit de déchargement régulier. Un tel dispositif de déchargement comprend de manière préférée, un ou plusieurs dispositifs rabotant les sommets des sillons ou monticules afin d'obtenir une surface substantiellement plane et un ou plusieurs déflecteurs. .
Les déflecteurs sont alors disposés régulièrement dans la zone d'évacuation du four. L'angle d'ouverture et/ou la profondeur de pénétration de chaque déflecteur sont choisis en fonction de leur position relative par rapport à la sole tournante. Le four comprend avantageusement des brûleurs installés dans des parois extérieures du four à sole mobile et/ou
dans l'anneau extérieur de la voûte afin de maintenir le four à une température de l'ordre de 1200 à 1550°C, de préférence de l'ordre de 1400°C.
Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention
L'invention sera décrite plus en détail en référence à une forme d'exécution préférée de l'invention illustrée dans les dessins annexés.
La figure 1 représente une projection horizontale schématique d'un four rotatif avec une distribution des râteaux dans un four rotatif.
La figure 2 représente une projection verticale d'une coupe du four rotatif.
La figure 3 représente les sillons formés dès le chargement.
La figure 4 représente les sillons résultant de la première action des socs, disposés sur des râteaux fixes, dans la charge.
La figure 5 représente les sillons résultant de la seconde action des socs, disposés sur des râteaux fixes, dans la charge.
La figure 6 représente une vue schématique d'une projection verticale d'une section d'un râteau et d'un soc avec un bras de fixation au râteau.
Le principe de fonctionnement du procédé est illustré à la figure 1.
Dans les figures 1 et 2, on illustre la première zone de chargement 1 , la deuxième zone de chargement 20 et la zone d'évacuation de la sole tournante 3 avec plusieurs déflecteurs 2, la sole 3 effectuant un mouvement dans le sens inverse des aiguilles d'une montre représenté par
la flèche 4 autour de l'axe du four 5. Les brûleurs fixés dans la paroi extérieure du four sont représentés par 6, les gaz de combustion sont extraits par les parois intérieures du four en 7 et envoyés vers les échangeurs thermiques par 8. Les râteaux supportant les socs ont reçu le repère de référence 9. Il est à noter qu'un des râteaux en amont de la zone de déchargement est équipé sur la largeur correspondant à celle de la zone de déchargement, d'un dispositif rabotant les sommets des sillons de la charge. Les injecteurs d'oxygène ont reçu le repère 10 tandis que le repère 11 désigne la charge.
La figure 3 représente les sillons 12 avant le passage des socs.
La figure 4 représente le rabotage du sommet 13 des sillons, avant l'action des socs.
La figure 5 représente le rabotage 14 des sillons, résultant de la seconde action des socs.
La figure 6 illustre une vue schématique d'une projection verticale d'une section d'un râteau 15 avec son isolation thermique extérieure 16 et une chambre de refroidissement intérieure à l'eau 17 ainsi qu'un soc 18 avec un bras de fixation au râteau 19.
L'action des socs à double action est explicitée plus en détail ci-dessous. L'entrée du four est pourvue d'un équipement créant à la surface de la charge des sillons à section triangulaires de façon à obtenir une surface en dents de scie. Dans la zone intermédiaire en prolongation de la zone d 'enfournement, le four comporte des équipements complémentaires à double action qui, par une première action font tomber le matériau constituant le sommet de chaque dent de scie dans le creux adjacent afin d'éviter que le matériau des sommets, qui sont très rapidement chauffés, n'atteigne la température d'agglomération et/ou de fusion, ce qui rendrait leur mélange à la charge et la réduction des oxydes métalliques plus difficile. Par
une seconde action, on obtient qu'une face de chaque dent de scie et le cas échéant une partie de la base soit enlevée, la matière enlevée étant ramenée sur une face de la dent de scie adjacente et recouvrant la matière amenée par la première action. Par conséquent, la charge est mélangée progressivement à des niveaux de plus en plus bas et est déplacée radialement au fur et à mesure de la rotation de la sole, la base des dents de scie étant déplacée à la fin de chaque tour de la charge radialement en une ou plusieurs étapes d'une distance totale correspondant à la largeur de la zone de chargement.
Dans la seconde zone intermédiaire suivante, le four comporte des équipements à double action similaires, qui permettent, par une première action d'enlever les sommets des dents scie et de ramener cette partie dans le creux adjacent. Par une seconde action, on obtient qu'une face de chaque dent de scie soit enlevée jusqu'à la sole, la partie enlevée étant ramenée sur une face de la dent de scie adjacente en recouvrant la matière amenée par la première action. La charge est déplacée radialement au fur et à mesure de la rotation de la sole pour être évacuée après plusieurs tours, preferentiellement après 4 tours ou plus, vers la partie de la couronne opposée à la partie d'enfournement.
Bien entendu, les deux zones peuvent également comporter des équipements identiques.
Dans ces zones intermédiaires du four, les conditions opératoires sont choisies de manière à réaliser un compromis entre, d'une part, la nécessité de réaliser aussi vite que possible une température élevée et homogène de la charge et, d'autre part, la nécessité de ne mettre progressivement en contact avec la couche d'oxydes métalliques ou la couche supérieure du mélange oxydes métalliques / charbon que la partie supérieure de la couche sous-jacente en évitant d'y incorporer des couches inférieures plus froides, de façon à ce que la température du nouveau
mélange formé ainsi obtenu soit supérieure à 600 °C, en particulier de l'ordre de 700 °C à 800°C.
La vitesse de rotation de la sole est choisie en fonction du diamètre du four. Elle peut être comprise entre 3 et 16 tours/heure et de préférence, elle est de 8 à 12 tours/heure.
La vitesse relative de la charge par rapport aux socs est de préférence comprise entre 10 et 50 cm/s et de manière avantageuse entre 15 et 30 cm/s.
D'autre part, pour ce qui concerne la couche supérieure de la charge, il faut éviter que celle-ci ne se vitrifie, par exemple par formation de silicates du type fayalite qui ont un effet d'inhibition de la réduction. A cet effet, le dépôt d'une deuxième partie du réducteur carboné sur la couche superficielle permet de maintenir une couche riche en éléments réducteurs en contact avec la couche superficielle de la charge ce qui minimise la réoxydation des oxydes métalliques déjà partiellement réduits pendant leur séjour dans le four, et la formation de fayalite en surface est également minimisée. De plus, des moyens tels que des râteaux assurent un mélange rapide de la couche superficielle dans la couche immédiatement sous-jacente.
On vise à obtenir un temps d'élaboration aussi court que possible. Pour une épaisseur de la charge de l'ordre de 5 à 10 cm, le temps d'élaboration est déterminé par le point le plus froid de la charge, une éponge métallique présentant de meilleures caractéristiques d'homogénéité comparée aux éponges produites par les techniques de réduction de l'état de la technique, ces dernières présentant généralement l'inconvénient d'entraîner la production d'un produit avec des taux de réduction des oxydes métalliques variables.
Dans ce mode d'exécution préférée, on prévoit que
- l'enfournement de la première partie du réducteur se fasse dans le contour intérieur de la couronne, le petit cercle, de préférence sur 1/6 à 1/12 de la largeur de la couronne,
- la charge qui effectue 4 tours complets ou plus selon les conditions de chargement sur la largeur de la couronne, soit retournée jusqu'à 100 fois par des râteaux équipés de socs de formes et de fonctions différentes suivant la zone du four telles que décrites ci-dessus,
- à chaque soc, la charge soit déplacée radialement vers l'extérieur, la charge parcourant ainsi un chemin substantiellement hélicoïdal,
- l'enfournement de la deuxième partie du réducteur se fasse dans une zone adjacente à la zone d'enfournement décrite plus haut et à la zone de déchargement,
- le déchargement se fasse sur la partie extérieure de la couronne au moyen d'un ou de plusieurs déflecteurs d'une longueur correspondant respectivement à la largeur ou à une fraction de la largeur de chargement,
- des brûleurs soient disposés dans les parois latérales du four au-dessus du niveau de la sole, principalement dans les parois extérieures de la couronne, sur le grand cercle et/ou dans l'anneau extérieur de la voûte,
- l'évacuation des gaz se fasse à contre-courant du déplacement de la matière par les parois des côtés intérieurs de la couronne, sur le petit cercle.
Sur les râteaux, les socs à double action de dimensions et de formes différentes sont disposés de façon à ce que les socs de la première zone intermédiaire brassent progressivement la charge à des niveaux de plus en plus bas jusqu'à la sole tandis que les socs de la deuxième zone intermédiaire, où la charge n'est pas encore agglomérée et est encore facilement mélangeable, ont une forme appropriée différente de
celle des premiers socs et brassent les sillons et leur base. On évite de cette manière l'apparition en surface de la charge d'une plaque d'oxydes métalliques réduits épaisse et résistante, difficile à morceler et difficile à évacuer.
Ces râteaux sont fixes et disposés radialement dans le four, le premier râteau étant disposé dans la première zone intermédiaire en prolongation de la zone d'enfournement, c'est-à-dire d'alimentation du four.
Les socs des râteaux sont fixes et décalés, c'est-à-dire disposés légèrement en biais par rapport aux sillons formés par les socs du râteau précédent, par exemple de 50 mm, de façon à enlever un côté en pente de chaque sillon ou dent de scie. Le mouvement de la matière sur la sole provoque un mélange (c'est-à-dire un brassage) et la formation d'un nouveau sillon ou dent de scie. Les socs créent sur toute la surface de la charge des sillons à section triangulaire qui augmentent de l'ordre de 20 à 65% la surface de la charge à l'interface avec l'atmosphère du four, réalisant de ce fait un plus grand transfert thermique du four vers la charge.
Les premier et second types de socs à double action sont conçus de telle sorte qu'à chaque passage de la charge, une partie de celle- ci soit retournée, la couche supérieure de la charge en contact avec l'atmosphère du four, au début constituée d'oxydes métalliques ensuite du mélange oxydes métalliques / charbon et finalement d'oxydes métalliques réduits, étant descendue tandis que la couche sous-jacente est remontée.
L'extrémité des socs est conformée de manière à provoquer un retournement de la matière de sorte que le manteau du sillon, partie la plus chaude, se retrouve au cœur de la base du nouveau sillon créé, afin d'assurer une meilleure homogénéisation.
Cette extrémité des socs peut être refroidie par une circulation interne d'un liquide réfrigérant par exemple.
La distribution des râteaux dans les différentes zones du four peut se faire de façon linéaire sur la longueur de passage dans une zone du four. Elle se fera de préférence de façon non linéaire et sera dépendante de la température de surface ainsi que du gradient de température dans la charge.
Un des râteaux en amont de la zone de déchargement comporte sur une largeur correspondant à celle de la zone de déchargement, un dispositif permettant de raboter les sommets de la surface profilée afin d'obtenir une surface substantiellement plane. Ceci facilite le déchargement du four.
La quantité de réducteur carboné se détermine par la quantité stcechiométrique nécessaire pour provoquer la réduction complète des oxydes métalliques présents, diminuée d'une quantité correspondant à l'action réductrice des éléments volatils, et éventuellement majorée d'une quantité nécessaire à la fusion de l'éponge et à l'alliage ultérieur.
Le mélange progressif de la couche d'oxydes métalliques avec la couche sous-jacente dont la température est nécessairement plus élevée dans la zone proche de l'interface oxydes métalliques / charbon que dans les couches plus éloignées, se traduit par les conséquences suivantes :
- un plus grand transfert thermique par une augmentation de la surface à l'interface couche supérieure / atmosphère du four ;
- la meilleure conductibilité thermique de la couche d'oxydes métalliques présents au début en une seule couche dans la partie supérieure de la charge et ensuite progressivement dans le mélange, contribue à un meilleur transfert thermique que celui des procédés à couches multiples, sans que l'agent réducteur, en l'occurrence le charbon, qui est moins bon conducteur thermique, ne perturbe ce processus ;
- le mélange progressif des couches constituant la charge permet la réalisation rapide d'une homogénéisation de la température de cette charge ;
- les oxydes métalliques atteignent très rapidement des températures élevées où leur réactivité est plus forte, ce qui augmente l'efficacité du processus de réduction et diminue la durée opératoire ;
- les constituants volatils libérés progressivement, générés par le charbon porté progressivement à plus haute température, sont utilisés de manière efficace et immédiate comme agent de réduction ;
- la réduction à l'aide d'hydrogène se produit immédiatement et est optimalisée, ce qui permet une cinétique réactionnelle plus forte que celle du gaz CO ;
- la réduction par le CO est rendue plus efficace du fait que la couche supérieure plus chaude est progressivement mélangée à la couche directement sous-jacente portée à la température adéquate et non aux couches plus profondes encore trop froides ;
- en principe, il devient possible de produire moins de dioxyde de carbone par masse unitaire de métal réduit produit ;
- les trop hautes températures en surface sont évitées, et de la sorte, il n'y a pas production de fayalite ;
- on évite l'apparition en surface de la charge d'une plaque d'oxydes métalliques réduits trop épaisse, résistante, difficile à morceler et difficile à évacuer ;
- le four, pour une production identique, sera moins volumineux que celui des autres procédés utilisant des fours à sole tournante.
Le four est généralement maintenu à une température de coupole de l'ordre de 1300 à 1450 °C, de préférence de l'ordre de 1400 °C, par des brûleurs installés dans les parois extérieures du four à sole mobile et/ou dans l'anneau extérieur de la voûte et avec postcombustion dans la partie côté intérieur de la couronne.
Les mélanges successifs des couches supérieures aux couches sous-jacentes ont pour conséquence que la température maximale atteinte ne dépasse pas 1100 à1200 °C en surface.
Les techniques employées permettent également d'augmenter l'homogénéisation des charges constituées de pellets, ce qui contribue à une augmentation considérable de l'épaisseur de la charge, à un déroulement opératoire plus rapide et plus efficace, à un encombrement plus réduit du four et à une optimalisation des échanges thermiques.
Claims
1. Procédé de réduction d'oxydes métalliques dans un four à sole tournante en forme de couronne, dans lequel un réducteur carboné et des oxydes métalliques sont déposés sur une partie de ladite sole tournante et sont ensuite transportés en un mouvement substantiellement en forme hélicoïdale vers un dispositif d'évacuation, caractérisé en ce qu'une partie du réducteur est préchauffée et mélangée avec les oxydes métalliques préchauffés avant et/ou pendant le dépôt en un mélange sur la sole tournante, en ce qu'une deuxième partie du réducteur est déposée sur le mélange, et en ce que les composantes volatiles du réducteur carboné et le monoxyde de carbone sont utilisés pour réduire les oxydes métalliques.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la deuxième partie du réducteur est déposée à chaud en plusieurs fractions sur le mélange.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la deuxième partie du réducteur constitue jusqu'à 20% de la quantité totale de réducteur mis en œuvre.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la deuxième partie du réducteur est subdivisée en deux fractions comprenant chacune jusqu'à 10 % de la quantité totale de réducteur mis en œuvre.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une fraction de la deuxième partie du réducteur est mélangée à des oxydes métalliques avant d'être déposée ou pendant son dépôt sur le mélange.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'au moins une fraction de la deuxième partie du réducteur comprend entre 60 et 100 % de réducteur carboné et entre 0 et 40% d'oxydes métalliques, de préférence entre 80 et 100 % de réducteur carboné et entre 0 et 20% d'oxydes métalliques.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réducteur carboné est préchauffé à une température jusqu'à 200 °C et/ou les oxydes métalliques sont préchauffés à une température allant jusqu'à 850 °C.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le préchauffage du réducteur carboné et /ou des oxydes métalliques se fait au moyen de la chaleur récupérée de gaz de combustion.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on dépose la première partie du réducteur carboné et les oxydes métalliques en une ou plusieurs couches superposées.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les couches superposées sont déposées successivement.
11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les couches superposées sont déposées en une fois.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11 , caractérisé en ce que les couches comprennent des teneurs en oxydes métalliques et en réducteur carboné différentes.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la teneur en réducteur carboné de la couche supérieure est inférieure à 25 % en poids et de manière particulièrement préférée est inférieure à 16% en poids
14. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que la teneur en réducteur carboné de la couche inférieure est comprise entre la teneur théorique nécessaire pour la réduction complète des oxydes métalliques et une teneur de 100% en poids, de manière préférée entre 30% et 70% en poids et de manière particulièrement préférée entre 35% et 60% en poids.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange est chauffé à l'intérieur du four jusqu'à une température de 950 - 1250 °C et de préférence de 1050 à 1150°C.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on met en œuvre les oxydes métalliques à une température d'alimentation aussi élevée que possible tout en évitant l'agglomération des oxydes métalliques.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la (les) couche(s) de réducteur carboné et d'oxydes métalliques est (sont) retournée(s) et mélangée(s) progressivement pendant son (leur) séjour à l'intérieur du four.
18. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on forme à la surface du mélange d'oxydes métalliques et de réducteur carboné une surface profilée en formant des sillons respectivement des monticules.
19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que la pente des sillons respectivement des monticules est comprise entre 20° et 65°.
20. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'on crée à la surface du mélange d'oxydes métalliques et de réducteur carboné une surface substantiellement en dents de scie.
21. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que un ou plusieurs des paramètres suivants : la largeur de la bande, la largeur de la base des sillons, le nombre de sillons et la pente des sillons sont modifiés pendant le séjour de la charge dans le four.
22. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange est chargé sur une partie intérieure de la sole en forme de couronne, en ce qu'il est transféré en un mouvement substantiellement hélicoïdal vers la partie extérieure de la sole et en ce qu'après réaction, il est évacué par la partie externe de la couronne.
23. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange est évacué après quatre tours ou plus.
24. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'au moins une fraction de la deuxième partie du réducteur carboné est déposée sur le mélange au moins un tour avant l'évacuation dudit mélange.
25. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la (les) couche(s) de mélange de réducteur solide et d'oxydes métalliques est (sont) déposée(s) sur une partie correspondant au maximum à 1/4 de la largeur de la couronne.
26. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la deuxième partie du réducteur carboné est déposée sur une partie de la sole tournante correspondant au maximum à 1/4 de la largeur de la couronne.
27. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une postcombustion des gaz est réalisée dans une partie intérieure de la couronne.
28. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'évacuation des gaz et le déplacement de la charge se fait radialement à contre-courant.
29. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réducteur carboné et/ou les oxydes métalliques comprennent de la chaux.
30. Four à sole tournante pour la réduction d'oxydes métalliques comprenant une sole tournante en forme de couronne subdivisée en :
• une zone d'enfournement,
• au moins une zone intermédiaire adjacente à la zone d'enfournement,
• une zone de déchargement adjacente à la zone intermédiaire ;
la zone d'enfournement comprenant un dispositif pour déposer sur une bande de la sole tournante une charge comprenant une ou plusieurs couches d'un mélange d'oxydes métalliques et d'un réducteur,
la zone intermédiaire ainsi qu'éventuellement la zone d'enfournement du four comprenant un dispositif permettant de réaliser un brassage progressif d'une partie supérieure et d'une partie sous-jacente de la charge tout en déplaçant la charge radialement au fur et à mesure de la rotation de la sole,
la zone intermédiaire ainsi qu'éventuellement la zone de déchargement du four comprenant un dispositif pour déposer sur la charge une plusieurs couches d'un réducteur éventuellement mélangé à des oxydes métalliques ;
la zone de déchargement comprenant un dispositif de déchargement permettant d'évacuer la charge métallisée en un ou plusieurs points de déchargement.
31. Four selon la revendication 30, caractérisé en ce que le dispositif pour déposer une ou plusieurs couches d'un mélange d'oxydes métalliques et d'un réducteur ainsi que le dispositif pour déposer sur la charge une ou plusieurs couches d'un réducteur éventuellement mélangé à des oxydes métalliques sur le premier mélange d'oxydes métalliques réduits et d'un réducteur comprennent un appareil pour mélanger à chaud le réducteur carboné et les oxydes métalliques avant, après ou pendant le dépôt des couches.
32. Four selon la revendication 30 ou 31 , caractérisé en ce que le four comprend un dispositif créant à la surface de la charge déposée des sillons ou des monticules de façon à obtenir une surface essentiellement en dents de scie.
33. Four selon l'une quelconque des revendications 30 à 32, caractérisé en ce que le dispositif de déchargement comprend une vis sans fin ou un déflecteur.
34. Four selon la revendication 33, caractérisé en ce que le dispositif de déchargement comprend un ou plusieurs dispositifs rabotant les sommets des sillons ou monticules afin d'obtenir une surface substantiellement plane et un ou plusieurs déflecteurs fixes ou à pénétration réglable.
35. Four selon la revendication 30 à 34, caractérisé en ce qu'il comporte un équipement permettant de réaliser le brassage qui comprend des râteaux pourvus de socs à double action disposés à la manière des dents d'un râteau, lesdits râteaux étant fixes et disposés radialement dans le four.
36. Four selon la revendication 35, caractérisé en ce que les râteaux et les socs sont refroidis.
37. Four selon la revendication 35 ou 36, caractérisé en ce que les râteaux comprennent des socs pénétrant la couche en déplaçant le mélange radialement vers le côté d'évacuation de la couronne et/ou des socs pénétrant la couche sur toute sa profondeur en déplaçant le mélange radialement vers le côté d'évacuation de la couronne.
38. Four selon l'une quelconque des revendications 35 à 37, caractérisé en ce que les socs sont décalés, c'est-à-dire disposés légèrement en biais par rapport aux sillons ou monticules formés par les socs du râteau précédent, de manière à enlever un côté en pente de chaque sillon et former ainsi un nouveau sillon, en ce que des équipements permettent, par une première action, de faire tomber les sommets des dents de scie dans le creux des sillons et, par une seconde action, de ramener une face de chaque dent de scie sur une face de la dent de scie adjacente de façon à recouvrir la matière amenée par la première action.
39. Four selon l'une quelconque des revendications 35 à 38, caractérisé en ce que les socs comprennent un angle d'attaque par rapport à la tangente des sillons qui est compris entre 20 et 30°.
40. Four selon la revendication 39, caractérisé en ce que l'angle d'attaque des socs est adaptable à tout moment.
41. Four selon l'une quelconque des revendications 35 à 40, caractérisé en ce que les socs sont formés de manière à provoquer un retournement et/ou un brassage de la charge.
42. Four selon l'une quelconque des revendications 35 à 41 , caractérisé en ce que la vitesse relative de la charge par rapport aux socs est comprise entre 10 et 50 cm/s et de manière préférée entre 15 et 30 cm/s.
43. Four selon l'une quelconque des revendications 30 à 42, caractérisé en ce que le four comprend des brûleurs installés dans des parois extérieures du four à sole mobile et/ou dans un anneau extérieur de la voûte afin de maintenir le four à une température de l'ordre de 1200 à 1550°C, de préférence de l'ordre de 1400°C.
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