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La présente invention concerne les procédés utilisés pour rédui- re directement les minerais de fer et les autres oxydes de fer, au moyen de carbone ou d'une matière carbonée, afin d'obtenir du fer et plus particuliè- rement des grains de fer spongieux qui peuvent être broyés en poudre ou utilisés comme matière de fusion.
Les essais tentés jusqu'à présent pour réduire directement et d'une manière continue l'oxyde de fer, en vue d'obtenir du fer spongieux ou une matière analogue, dans des fours rotatifs ou d'autres fours, entrai- naient des dépenses excessives de combustible et présentaient de graves difficultés du fait que;la charge du four s'agglomérait en morceaux et collait contre les parois, les agglomérés ainsi formés renfermaient des quantités considérables d'oxyde, de cendre et du carbone utilisé comme agent réducteur et comme combustible.
La présente invention réalise un procédé économique permettant de surmonter ces difficultés et d'effectuer directement une réduction sensi- blement complète de l'oxyde de: fer en fer spongieux contenant par exemple de 0,01 à 0,2% de carbone et débarrassé de toute particule du carbone uti- lisé comme combustible et de la cendre provenant de celui-ci.
Le procédé conforme à l'invention consiste essentiellement à broyer d'abord l'oxyde ou le minerai de fer pour le transformer en poudre et à former ensuite des grains avec celle-ci. On fait arriver ces grains dans un four rotatif ou dans un autre four approprié, en même temps qu'une matière carbonée fine d'une nature telle que sa cendre ne fond pas et ne s'agglomère pas à la température de réaction du four (1.038 à 1150 C).
On admet de l'air dans le four avec un débit limitéde manière à fournir juste l'air nécessaire pour réagir avec la quantité de carbone indispensable pour pro- duire la chaleur permettant de réduire tout l'oxyde de fer en fer. On in- troduit un certain excès de carbone, qui est déchargé en dehors du four avec les grains réduits de fer spongieux, mais il est facile de séparer des grains ce carbone en excès par un criblage ou un procédé magnétique de sépa- ration. Le carbone en excès dans le four agit rapidement pour réduire en oxy- de de carbone le gaz carbonique formé par la réaction de sorte que les grains restent dans une atmosphère de four constituée principalement par de l'azo- te et de l'oxyde de carbone jusqu'à ce qu'ils soient réduits en fer spongieux.
On fait alors progresser les grains, avec le carbone en excès, à travers une zone de refroidissement, tout en les laissant encore dans une atmosphè- re comprenant principalement de l'azote et de l'oxyde de carbone, jusqu'à ce que le mélange soit suffisamment refroidi pour être déchargé sans risquer d'oxyder de nouveau le fer.
Pour absorber les composés sulfureux et volatils quelconque qui peuvent se dégager pendant le chauffage du combustible carboné utilisé, et pour que le soufre ne puisse pas pénétrer dans le fer réduit, on ajoute de préférence à la charge du four une certaine quantité de chaux, d'hydra- te de chaux, de pierre à chaux ou de dolomite par exemple, jusqu'à environ 2 à 20% en poids par rapport au carbone.
Pour que le carbone réagisse plus facilement avec l'oxygène de l'air dans le four, et qu'on puisse maintenir des concentrations plus éle- vées d'oxyde de carbone à des températures plus basses, on ajoute également à la charge de préférence une petite quantité d'un catalyseur, tel que du carbonate de sodium ou de l'aluminate de sodium. On parvient ainsi à obtenir des concentrations plus élevées d'oxyde de carbone que si on n'u- tilisait pas un tel catalyseur;de plus, on peut réaliser une réduction com- plète de l'oxyde de fer à des températures nettement inférieures au point de fusion de la cendre du barbone utilisé, La quantité de carbonate de sodium peut varier à peu près de 0,5 à 1% en poids par rapport au carbone
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utilisé.
On mélange et on broie ensemble, de préférence de manière à obtenir de fines particules traversant un tamis à mailles N 20, le charbon consis- tant de préférence en fines d'anthracite, la chaux, pierre à chaux oudolo- mite, et le carbonate de sodium.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention ap- paraîtront au cours de la description détaillée qui va suivre. On se réfé-
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fera au cours de cette description au dessin;annëxéqui. représentées'"titre, d'exemples, plusieurs types d'installation susceptibles d'être utilisés pour la mise en oeuvre de l'invention.
Sur ce dessin :
La figure 1 représente schématiquement l'installation préférée permettant de mettre en oeuvre l'invention, la zone de réduction dans cet- te installation étant constituée par un four rotatif;
La figure 2 représente schématiquement une autre installation conforme à l'invention et constituée principalement par un four en tunnel avec un transporteur traversant ce four; ce four en tunnel remplace le four rotatif représenté sur la figure 1;
La figure 3 représente schématiquement en coupe verticale un four rotatif à ringards du type Herreshoff, qui peut être utilisé dans certains cas à la place du four rotatif de la figure 1.
Le minerai de fer ou l'oxyde de fer à réduire peut se présenter sous une forme bien connue quelconque, par exemple sous la forme de magné- tite, ou de sa contre-partie industrielle consistant en scories deTaminoir; il peut aussi être constitué par de la cendre d'oxyde de fer résultant de la combustion de minerais de sulfure de fer et obtenue par exemple par un grillage dans la récupération du gaz sulfureux à partir de tels minerais.
La cendre de ce genre est actuellement facile à trouver en grandes quanti- tés et à faible prix, car elle n'a pour ainsi dire aucune utilisation; cepen- dant, malgré sa teneur en soufre, elle peut être utilisée économiquement pour mettre en oeuvre la présente invention, puisque le soufre est grillé dans le procédé conforme à l'invention. Dans un premier mode de réalisa- tion de l'invention, on a utilisé des scories ordinaires de laminoir dis- ponibles dans le commerce, tandis que dans un autre mode de réalisation on a utilisé une hématite du Brésil à haute teneur en fer.
L'oxyde utilisé peut contenir ou ne pas contenir des quantités appréciables de matières non ferreuses, telles qu'une gangue de silice, sans que l'exécution du pro- cédé en soit gênée; il est bien entendu cependant que, si on veut obtenir un fer extrêmement pur, il faut utiliser initialement un oxyde ou un minerai de grande pureté.
Dans tous les cas, on broie finement l'oxyde de fer utilisé, soit à l'état humide, soit à l'état sec, par exemple dans un broyeur à boulets 10
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àidans ta.rli -aIt:#".c1:Bp#i.t:if"ae"'broyage . approprié, de manière à obtenir le degré de finesse nécessaire pour former des grains avec la poudre broyée; cepen- dant, le degré de finesse ne présente pas une importance particulièrement critique. Il est préférable d'ajouter un liant pendant le broyage, si celui- ci s'effectue à sec, ou après le broyage s'il s'effectue à l'état humide.
Il est préférable que le produit broyé contienne une quantité suffisante de particules susceptibles de traverser un tamis à mailles N 100 ou même un tamis plus fin, de manière que l'opération de formation de grains ou briquet- tes puisse être effectuée ensuite avec efficacité, car une certaine propor- tion de matières très fines facilite cette opération. On procède à la forma- tion des grains (préférés aux briquettes) en ajoutant 10% d'eau à la matiè- re sèche, ou en déshydratant la matière jusqu'à un degré d'humidité de 10% si la matière est déjà humide.
Le liant utilisé peut être de la farine ordinaire de froment, de la mélasse, du silicate de soude, une liqueur de
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sulfite, de la chaux, de la soude caustique ou de la magnésie ; quel- conque de ces matières, utilisée dans une proportion de 0,5% à 2% du poids du minerai, fournit un grain suffisamment dur sans augmenter exagérément le manque de pureté du produit. Quand on veut obtenir un produit ferreux de grande pureté, il faut évidemment utiliser un liant produisant aussi peu que possible d'impuretés pendant le chauffage des grains.
On fait arriver ensuite le mélange humide et collant dans un tambour rotatif 11 (qui peut être d'une construction analogue à celle d'un four rotatif ordinaire de grillage), au moyen d'un transporteur appro- prié 12, comportant une vis d'alimentation dentelée 13 ; cettevis possède une forme lui permettant de briser ou trancher le mélange en petits mor- ceaux, qui s'arrondissent en forme de sphère en roulant à travers le tam- bour 11. On peut commander les dimensions de ces grains sphériques en ré- glant le degré d'humidité du mélange ou en modifiant la configuration de la vis d'alimentation pour changer l'action de coupe de celle-ci; on peut faire varier le diamètre des grains depuis 1,6m/m jusqu'à 5 cm ou même davantage.
Cependant, on obtient les meilleurs résultats, en ce qui concer- ne une réduction rapide réalisée ultérieurement dans le procédé, avec des grains plus petits dont les dimensions sont voisines de 3 mm ou quelque fois inférieures. Dans tous les cas, les grains doivent être suffisamment plus gros que les particules de carbone qui seront mélangées ensuite avec les grains, de manière qu'on puisse séparer proprement ceux-ci du carbone en excès par un criblage ou un autre procédé.
Les grains sont humides et mous aussitôt après leur formation; bien qu'ils puissent être séchés dans le tambour rotatif 11, dans lequel ils ont été formés, on termine de préférence leur séchage plus tard en les agitant le moins possible pour éviter de les briser et de les réduire en poussièreo Un tel séchage peut être effectué en 12 sur un transporteur à courroie ou dans un séchoir en tunnel.
Les grains secs peuvent être utilisés directement, mais on a trouvé avantageux, dans certains cas, de leur faire subir un traitement supplémentaire consistant à les griller à haute température. Ce grillage peut être effectué sans addition de combustible, si l'oxyde utilisé est un mine- rai du type magnétique, c'est-à-dire un oxyde ferreux. La conversion de l'oxyde ferreux en oxyde ferrique est accompagnée, dans des conditions ap- propriées, par un dégagement de chaleur suffisant pour amener les grains à un commencement de fusion ; réaction est la suivante : 4 Fe304 + O2 = 6 Fe203 + dégagement de chaleur (136 grandes calories par Kg de fer)
Pour réaliser cette conversion, on souffle de l'air à travers un lit ou une colonne de grains, après avoir allumé ceux-ci au moyen d'une source extérieure de chaleur.
Le dégagement de chaleur engendré par l'oxy- dation est suffisamment rapide, si les grains ont les dimensions mentionnées plus haut, pour que ceux-ci soient amenés à un commencenemt de fusion, à une température voisine de 1500 C. Si la colonne ou le lit de grains est main- tenu en mouvement, par exemple par une alimentation et une décharge continues, les grains ne collent pas les uns aux autres et ils deviennent en refroidis- sant extrêmement durs, poreux et légèrement vitreux, avec quelques noyaux creux.
On a constaté que les grains ainsi préparés résistent parfaitement à l'abrasion en présence de fines de charbon, pendant le procédé de réduc- tion décrit ci-après; on a constaté d'autre part que les grains, entière- ment oxydés et transformés en oxyde ferrique, sont réduits plus rapidement que s'ils étaient constitués par un oxyde magnétique.
Les grains séchés, ou à la fois séchés et grillés, s'ils ont
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été préparés avec un liant, tel que de la farine ou de la mélasse, qui ne contient pas une base métallique telle que de la soude, de la chaux ou de la magnésie', gonflent considérablement, après leur réduction en fer, et donnent des grains de fer spongieux qui sont au moins deux fois plus gros que les grains primitifs d'oxyde; bien que ceci constitue un avantage pour certaines applications, comme dans le cas où l'on veut obtenir une pou- dre de fer poreux légère et très fine, ce gonflement est cependant indési- rable pour d'autres usages, quand on veut produire des particules plus gros- ses et de densité plus élevée.
On peut empêcher complètement ce gonflement en utilisant un demi pour cent en poids, par rapport au minerai, de soude, de chaux ou de magnésie, comme liant dans l'opération de formation des grains, avec ou sans liant organique. On constate que ces bases se combinent avec l'oxyde de fer pendant le grillage à haute température et que les grains ne se gonflent pas pendant la réduction ultérieure; les grains peu- vent même être pulvérisés pour fournir une poudre métallique dense consti- tuée par des particules relativement grosses et ceci est dû sans aucun doute à l'effet de liant produit par l'addition des bases fondues.
Si on utilise comme minerai de l'hématite ou oxyde ferrique, il est évident que le minerai ne peut pas s'oxyder davantage et que les grains ne peuvent pas être grillés ; a trouvé cependant que, si on ajoute à un minerai de ce type, pendant l'opération de broyage, environ 71/la en poids d'une poudre de fer réduit, on obtient un mélange se composant, vis-à-vis du procédé conforme à l'invention, comme s'il s'agissait d'un oxyde ferreux ou magnétique, et susceptible par conséquent d'être grillé.
Une autre caractéristique importante de l'emploi d'un minerai finement divisé, puis formé en grains et enfin grillé comme on l'a expliqué plus haut, réside dans le fait que les grains sont débarrassés de toute trace de soufre pendant le grillage et que les grains obtenus finalement sont sensiblement ronds, durs, vitreux, mais néanmoins extrêmement perméables aux gaz de réductiono
Quand on a formé des grains comme on vient de l'expliquer, on les mélange dans une trémie 13 avec 40% environ en poids de carbone sous la forme de fines d'anthracite sensiblement sèches, dont les particules sont sensiblement plus petites que les grains, de manière que le carbone en excès puisse être séparé facilement plus tard des grains réduits,
au moyen d'un tamis dont les mailles retiennent les grains et laissent passer les particules de carbone. On peut utiliser des fines d'anthracite ou un carbone approprié quelconque donnant des cendres réfractaires, c'est-à-di- re des cendres qui, en présence des produits ajoutés définis plus haut, sont infusibles à la température'de réduction.
On utilise de préférence l'anthracite, parce que ses cendres ont un point de fusion élevé, qu'elle n'est pas coûteuse, qu'elle est abon- dante et que sa teneur en soufre est généralement si faible qu'une petite addition de chaux suffit pour retenir ce soufre et l'empêcher de pénétrer dans le fer. On a utilisé avec succès l'anthracite du pays de Galles,aussi bien que l'anthracite de Pensylvanieo Il est généralement avantageux d'a- jouter jusqu'à 1% de carbonate de sodium au charbon parce que sa présence augmente considérablement la concentration de l'oxyde de carbone aux tem- pératures voisines de 1030 à 1150 C qui sont utilisées pour la réduction.
On a constaté d'autre part qu'un agent réducteur relativement sec et ren- fermant peu d'hydrocarbures volatils donnait de meilleurs résultats, parce qu'il ne se forme pas pendant la combustion une quantité suffisante de vapeur d'eau pour produire une condensation pendant le refroidissement du fer réduit
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Le mélange de grains d'oxyde de fer et de fines de charbon re- lativement sèches est dirigé par un transporteur 14 vers l'extrémité de chargement du four de réduction. Un four rotatif, tel que le four 15, est préférable; il peut être en acier spécial isolé extérieurement contre la chaleur et on peut l'utiliser sans garnissage réfractaire; ce four peut ê- tre aussi un four en acier convenablement isolé avec m garnissage 16 en bri- ques.
Un tel four rotatif comporte un prolongement 17, qui est refroidi con- venablement par de l'eau, par exemple par des jets d'eau pulvérisée 26, et dans lesquels les grains réduits, le carbone en excès et le gaz de pro- tection résultant de la réaction se déplacent ensemble vers l'extrémité de décharge 18.
Un four du type. à tunnel fixe, comme le four 20 de la figure 2, a été utilisé avec une courroie de transport 21 en acier inoxydable se dépla- çant d'un mouvement continu et formant une sole ou comportant une sole du type à vibrations, dans tous les cas, le four comporte en 22 un prolon- gement refroidi par de l'eau. On peut utiliser aussi un four à soles multi- ples du type Herreshoff bien connu (fig. 3); ce four comporte des soles superposées, avec des ringards'- rotatifs qui déplacent la charge depuis le sommet jusqu'à la base du four, en lui faisant traverser successivement les différentes soles, dont la plus basse en 23 peut être refroidie par des serpentins de refroidissement à eau 25.
Quel que soit le type du four utilisé, il est essentiel que son prolongement, ou section de refroidissement, soit relié directement par un raccord étanche aux gaz à la section de chauffage du four ; cette maniè- re, quand les grains réduits (fer) et le charbon en excès sortent de la zone de réduction, ils se déplacent de préférence ensemble avec les gaz d'échappement,pour pénétrer dans la section de refroidissement et pour la traverser; ils sont donc refroidis, presque jusqu'à la température atmosphé- rique, dans un gaz de la même composition (en ce qui concerne le rapport CO/CO2) que celle établie à la sortie de la zone de réduction.
L'analyse des gaz,' en ce qui concerne le rapport CO/CO2, indique si un pourcentage suffisamment élevé d'oxyde de carbone est maintenu pendant le refroidisse- ment pour que les surfaces des grains ne soient pas oxydées de nouveau pen- dant cette opération. Si le rapport de l'oxyde de carbone au gaz carbonique est égal à 2 à la sortie de la zone de réduction et si on n'ajoute ni air, ni oxygène dans la zone de refroidissement, cette composition de gaz reste réductrice vis à vis des grains pendant que ceux ci se refroidissent; les grains se déchargent ainsi dans l'atmosphère sans oxydation. On peut les transférer au moyen d'un transporteur 26 jusqu'à un dispositif approprié 27 de criblage ou de séparationmagnétique qui les sépare du charbon en excès et les débarrasse sensiblement de toute trace de carbone.
On peut broyer ensuite les grains dans un broyeur 28 pour obtenir de la poudre de fer. On a constaté que des quantités importantes de grains ainsi préparées ne contenaient pas plus de 0,2% de carbone et pouvaient même avoir une teneur en carbone descendant jusqu'à 0,01%.
La section chauffée de réduction peut avoir une longueur et un diamètre désirables quelconques, suivant la capacité désirée, mais sa vites- se de rotation (par exemple un tour à la minute) et son débit d'alimentation doivent être choisis de manière à réaliser une durée de trajet des grains qui ne soit pas inférieure à 80 min., si les grains ontun diamètre descen- dant jusqu'à 1,6 m/m; les grains dont le diamètre atteint 5 cm demandent plus de deux heures pour obtenir une réduction complète.
Le gaz carbonique, qui se forme suivant une quantité décroissan- te à mesure que la charge progresse vers la sortie, du four,est réduit en oxyde de carbone par les particules chaudes du oaruone en excès.
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Si on charge de cette manière, on constate que la température peut être maintenue sans difficulté à la valeur désiré pour la réduction (1038 à 115000) sur toute la longueur du four, au moyen d'une seule arrivée com- mandée d'air à l'extrémité d'entrée du four, puisque la chaleur engendrée rapidement à l'extrémité de charge est absorbée rapidement par la charge froide et par la réaction endothermique se produisant à cette extrémité, tandis que l'oxyde de carbone formé, qui agit sur les grains chauds et pres- que entièrement réduits vers l'extrémité de décharge dégage de la chaleur; cette chaleur est cependant absorbée au moins en partie par la réduction en- dothermique du gaz carbonique produite par le carbone encore chaud se trou- vant à cette extrémité.
Les gaz sortant en 18 de la zone de refroidissement sont recueil- lis dans une enveloppe 30 et sont aspirés par un ventilateur 32 à travers une conduite 31, d'ou ils passent à travers un réchauffeur d'air 33 pour arriver dans un raccord 34 d'évacuation. Puisque les gaz dégagés dans le présent procédé contiennent un pourcentage assez important d'oxyde de carbo- ne, on introduit de préférence de l'air à travers un raccord 35 pour permet- tre à l'oxyde de carbone de brûler avant que les gaz ne soient déchargés par le raccord 34 d'évacuation.
L'air introduit dans la zone réductrice arrive par une conduite 36 en traversant un dispositif de dosage approprié quelconque; il est chauf- fé au préalable dans le réchauffeur 33, avant de pénétrer dans la condui- te 37, d'où il est déchargé dans le four par un raccord d'admission 38 en- tourant le transporteur 14 et concentrique à celui-ci.
Comme on le voit en 40, l'extrémité d'admission du four est mu- nie d'un brûleur approprié à pétrole ou à gaz, qui sert à porter l'intézieur du foui jusqu'à la température requise, par exemple de 1038 C à 1150 C, pour commencer ensuite les opérations.
Cependant, quand la réaction réductri- ce a été correctement amorcée, on arrête le fonctionnement du brûleur.Bien que les gaz se déplacent dans le four de préférence en même temps que la charge, on s'aperçoit que la région d'admission, à l'intérieur du four, est maintenue à la température d'allumage nécessaire, grâce à la réverbéra- tion s'effectuant sur les parois latérales ou sur la paroi supérieure du four, à l'extrémité de charge, et du fait que des parties chaudes de la charge, qui est agitée dans le four, retombent en partie vers la région de l'admis- sion.
Il es bien entendu que le four du type à tunnel de transport (fig. 2) peut être alimenté, si on le désire, de la même manière que le four rotatif de la fig. 1, et que les gaz peuvent être recueillis à la sortie dans une enveloppe telle que 30', puis être dirigés vers un réchauf- feur avant de s'échapper par un carneau d'évacuation comme dans le cas de la fig. 1 Le produit sortant du four de la fig. 2 peut être également transféré par un transporteur 26' à un dispositif de criblage et de broya- ge, comme on l'a expliqué en considérant la fig. 1.
Dans le four de la fig. 2, des réchauffeurs électriques, 40' par exemple, peuvent être installés pour porter le four à la température de démarrage nécessaire; dans le four de la fig. 3, un brûleur 40" peut être prévu dans le même but. Dans ce dernier fcur, la sole supérieure 41 peut ê- tre utilisée, si on le désire, pour réaliser un chauffage préalable de la charge reçue d'une trémie 42 et d'un transporteur 43. Les gaz d'échappe- ment et le mélange sortant de la conduite de sortie 44 du four de la fig. 3 peuvent être traités de la même manière que dans le cas des fours des fig. 1 et 2.
Au lieu de doser l'air arrivant dans chacune des fours, avant son introduction dans ceux-ci, on peut, si on le désire, régler le débit d'alimentation en air en modifiant simplement la vitesse ou le débit du ven-
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tilateur fournissant l'air.
Une considération importante, en ce qui concerne la présente invention, est celle des débits relatifs avec lesquels les grains, le carbo- ne et plus particulièrement l'air sont introduits dans le four. Quand du carbone solide est utilisé pour réduire des minerais de fer à une tempéra- ture quelconque inférieure au point de fusion du fer, on sait que la réac- tion ne se développe pas par l'action directe du carbone solide sur l'oxy- de de fer, mais par suite d'une conversion préalable du carbone en oxyde de carbone gazeux.
La réduction de l'oxyde de fer est effectuée en réalité par l'action de ce gaz sur les particules de minerai et il en résulte qu'on obtient directement du fer métallique et du gaz carbonique, Pour que la réaction se produise d'une manière complète, il faut fournir assez de chaleur pour réduire le gaz carbonique en oxyde de carbone au moyen de carbone libre.
On sait que la réaction de l'oxyde de carbone sur les oxydes de fer est une réaction exothermique, pourvu que le gaz utilisé et le minerai de fer soient chauffés d'avance jusqu'à la température de réaction (1038 C à 1150 C), de sorte que la température du produit (fer) s'élève. On sait également qu'un excès considérable d'oxyde de carbone doit être utilisé pour terminer la réduction, en l'absence de carbone solide chaud, et que cet ex- cès nécessaire constitue un obstacle à l'emploi économique d'oxyde de car- bone préparé séparément (tel que l'oxyde de carbone fourni par une instal- lation de production de gaz) et agissant sur des minerais de fer, en l'abs- eense de carbone libre.
Conformément à la présente invention, le carbone du mélange est allumé et l'alimentation en air est commandée de manière que le carbone four- nisse en brûlant de 11-oxyde de carbone, tout en dégageant assez de chaleur pour porter le charbon, l'air et les grains d'oxyde de fer jusqu'à la tempé-
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rature de réaction èf pour'co-mplâter la réac'tion de réd1zJbion,, conformément à-la quantité'#e 'Qbal-elir demandée 'par'le. réaction du carbone. sur 1toXyde cber.
Quand on utilise du carbone solide pour réduire de l'oxyde de fer, la chaleur totale nécessaire quand on commence l'opération avec des matières premières froides, est égale à 1000 grandes calories par Kg de fer produit. Si on engendre la chaleur à l'intérieur,de la charge, en s'arran- geant pour que la combustion ne dégage que de l'oxyde de carbone, conformé- ment à la formule :
2C + O2 = 2 CO la chaleur engendrée est égale approximativement à 2460 grandes calories par Kg de carbone oxydé. Ainsi pour 100 Kg de grains de minerai dans la charge, si on suppose que le minerai est de l'hématite pure contenant 70% de fer, il faut 100 X 0,7 X 1000 = 70. 000 grandes calories pour réduire tout l'oxy- de en métal. Cette quantité de chaleur peut être fournie par la combustion de 70.000 = 28,6 Kg de carbone.
On utilise cependant, pour des raisons qui
2.460 seront exposées plus loin, un excès' de carbone atteignant de préférence 12 Kg. La combustion de ces 28,6 Kg de carbone exige approxima- tivement l'emploi de 4670 litres d'air pour chaque Kg de carbone, par con- séquent, on souffle de l'air dans l'extrémité de chargement du four ou on aspire de l'air par tirage à l'extrémité de décharge et on commande son dé- bit, en se basant sur une analyse des gaz de décharge, de manière que la quantité d'air soit proportionnée à la quantité de charbon et de grains d'o- xyde de fer qui a été chargée. On peut régler la quantité exacte d'air en observant la nature des grains déchargés à la sortie du refroidisseur, aussi bien que par l'analyse des gaz.
Si les grains présentent un début de fusion du métal, la tempé- rature de réduction est trop élevée et on peut .alors l'abaisser en diminuant
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le débit ou la température de l'air; inversement, si les grains ne sont pas suffisamment réduits, la température de réduction est trop basse et'peut être corrigée en conséquence..
Quand on engendre de cette manière la chaleur nécessaire, la charge est chauffée jusqu'à la température de réaction et il est important de noter que la réduction commence à l'extrémité de chargement, à l'endroit où la plus grande quantité de chaleur est nécessaire et où la chaleur peut être absorbée.rapidement. Une telle réduction est effectuée par la diffusion gazeuse de l'oxyde de carbone dans les grains poreux, avec produc- .,tion simultanée de chaleur à l'intérieur des grains et dégagement de gaz carboniqueo Pour que la réduction puisse continuer et être complète, il est cependant nécessaire de maintenir une concentration élevée d'oxyde de carbone dans les gaz entourant les grains.
Ceci peut être réalisé en renou- velant ou changeant l'alimentation en oxyde de carbone, mais ce résultat est obtenu dans le présent procédé en maintenant, avec les grains partiel- lement ou complètement'réduits, un excès de particules chaudes de carbone qui servent à réduire le gaz carbonique au fur et à mesure que celui-ci se diffuse à partir des grains.
@ Les particules de charbon et de cendre réfractaire jouent un au- tre rôle; elles servent en effet à constituer entre les grains de fer réduit une phase non liquide d'interférence et à empêcher les grains de s'agglomé- rer ensemble et d'adhérer aux parois du four ou au transporteur si on uti- lise un transporteur.
On a constaté pratiquement que l'emploi de 40 Kg de carbone, ou dans certains cas de 35 à 50 Kg de carbone, est amplement suffisant pour
100 kg d'hématite pure en vue de fournir l'excès de carbone nécessaire, si le carbone est constitué par de l'anthracite finement broyée. Les fines ou le coke d'anthracite peuvent être suffisamment réactifs sans addition d'un agent catalytique et peuvent aussi présenter une teneur en soufre suffisam- ment faible pour qu'il ne soit pas utile d'ajouter de la chaux en vue de retenir le soufre.
Il faut noter, cependant que, si les fines de carbone ne sont pas suffisamment réactives pour former de l'oxyde de carbone, l'ad- dition d'un agent catalytique, tel que le carbonate de sodium avec ou sans chaux, n'abaisse pas sensiblement le point de fusion des cendres du mélange et agit efficacement pour maintenir une concentration élevée d'oxyde de carbone.
Le phénomène bien connu de l'agglomération ou du collage de la charge dans les fours, en particulier dans les fours rotatifs, destinés à la production de fer spongieux, est dû à plusieurs causes qui sont les sui- vantes :
1 -La présence ou la production de fines d'oxyde à l'intérieur de la charge, d'où il résulte que les fines métalliques réduites s'oxydent de nouveau et fondent ensemble pour former une masse partiellement oxydée;
2 -la fusion des cendres de l'agent réducteur;
3 -la transformation du combustible en coke quand on utilise par exemple du charbon bitumineux brut.
Ces effets sont cependant évités grâce à la présente invention : a) en utilisant le minerai sous la forme de grains si durs qu' il ne sont pas usés par le mouvement de la charge dans les fours, tels que les fours rotatifs ou les fours à soles multiples. b) en utilisant un carbone réducteur (charbon) ne se transfor- mant pas en coke et tellement plus divisé que les grains de minerai ou de fer réduit qu'il constitue une phase d'interférence entre les grains, cet
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agent réducteur étant en outre choisi de manière que ses cendres résiduelles ne soient pas collantes et ne fondent pas, même quand on ajoute un agent ca- talytique ou de la pierre à chaux.
Le procédé conforme à la présente invention peut être distingué des anciens procédés connus principalement par la combinaison des caracté- ristiques suivantes :
1 -On empêche le collage ou l'agglomération de la charge en don- nant d'avance à l'oxyde de fer la forme de grains durs, qui ne se désagrègent pas pendant la réduction pour former de fines particules, de fer, et en uti- lisant un genre de carbone,, par exemple de l'anthracite, dont les cendres ont un point de fusion très supérieur à la température de réduction et qui n'adhèrent pas aux grains de fer réduit;
2 - On utilise le carbone comme agent réducteur de telle manière que toute la chaleur nécessaire pour réduire l'oxyde de fer, en démarrant avec une charge froide, peut être fournie en brûlant dans la charge une quantité de carbone suffisante, avec une quantité limitée d'air, pour for- mer de l'oxyde de carbone, et en maintenant dans les gaz la prépondérance de l'oxyde de carbone grâce à la présence d'un excès de carbone chaud et libre dans un état finement divisé et suffisamment réactif;
3 - On chauffe rapidement les grains d'oxyde de fer et le carbo- ne à l'extrémité de chargement du four de réduction, là ou il faut le plus de chaleur, et on fait avancer la charge, de préférence mais pas toujours nécessairement, en même temps que les gaz dégagés, qui sont maintenus avec suffisamment d'oxyde de carbone pour conserver sur l'oxyde de fer une action réductrice extrêmement efficace; ensuite, on refroidit le mélange résultant dans une atmosphère constituée par les produits gazeux de la réaction qui empêchent l'oxydation du fer pendant son refroidissement;
4 - On sépare du carbone en excès les grains d'oxyde réduit en s'assurant que les grains sont notablement plus gros que les particules de carbone, une séparation complète pouvant alors être effectuée par un dispositif de criblage ou un dispositif magnétique.
Le tableau ci-dessous indique les résultats de l'analyse de pro- duits ferreux caractéristiques obtenus conformément à l'invention à partir de scories de laminoir :
EMI9.1
<tb> Carbone <SEP> 0,01 <SEP> à <SEP> 0,2% <SEP> maximum
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> fer <SEP> (non <SEP> ré-
<tb>
<tb>
<tb> duit <SEP> sous <SEP> la <SEP> forme <SEP> de
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Fe3O4 <SEP> 0,5 <SEP> à <SEP> 1,5%"
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Soufre <SEP> 0,02 <SEP> à <SEP> 0,04%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Phosphore <SEP> 0,03 <SEP> à <SEP> 0,06%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Fer <SEP> métallique <SEP> 98,4 <SEP> à <SEP> 97,5%
<tb>
On broya les scories de laminoir en ajoutant 1/2% en poids de chaux, puis on les transforma en grains grillés, comme on l'a expliqué plus haut.
On réduisit ces grains, conformément au procédé de l'invention, en leur ajoutant 35% en poids de charbon d'anthracite, qui traversait un crible à mailles de 60 ; ce charbon avait été mélangé intimement avec 0,5% de carbonate de sodium et 5% d'hydrate de chaux. Les grains résultants ayant les compositions indiquées ci-dessus peuvent être désagrégés pour donner de la poudre de fer utilisable en métallurgie.
En utilisant un minerai n'oxyde ferrique exceptionnellement pur, par exemple un minerai renfermant moins de 0,4% de silice, on a pro-
<Desc/Clms Page number 10>
duit avec 35% d'anthracite des grains de fer réduit dont la composition était la suivante :
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<tb> Carbone <SEP> 0,05 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Soufre <SEP> 0,03 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Phosphore <SEP> 0,03%
<tb>
<tb>
<tb> Silice <SEP> 0,40 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Fe3O4 <SEP> 0,75%
<tb>
<tb> Fer <SEP> métallique <SEP> 98;74 <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb> 100, <SEP> 00 <SEP> %
<tb>
On voit, d'après les exemples précédents, que la séparation des grains et du charbon en excès est complète et que la réduction de l'oxy- de de fer est également complète.
On obtient des résultats analogues en utilisant des oxydes de qualité inférieure, tels que des cendres de pyrites, avec cette différence cependant que, si on obtient un fer avec un poucentage faible de carbone; par contre ce fer est moins pur par suite de'-la gangue qui se trouve dans la cen- dre et dont la teneur atteint 5%. Un tel produit peut être fondu pour être raffiné.
Dans tous les cas, les grains obtenus sont plus ou moins spongieux par suite du traitement auquel on les soumet avant la réduction. Les grains, qui ont été obtenus avec un oxyde ferrique pur et un liant à base de fari- ne et qui ont été simplement séchés, donnent un produit très spongieux, qui se désagrège en une poudre extrêmement fine pouvant convenir pour la production de noyaux magnétiques; au contraite, les grains qui ont été pré- parés avec addition de 1/2% d'une base alcaline ou alcalino-terreuse et qui ont été grillés à une température supérieure à 1093 C, donnent après réduction des grains moins spongieux, qui se désagrègent en une poudre rela- tivement grossière convenant mieux pour la fabrication de pièces mécaniques.
Cependant, tous les grains résultants, quel que soit leur type, peuvent ê- tre simplement fondus, ou être comprimés pour former des pains et être ensui- te fondus, si l'on veut avoir un métal plein non spongieux.
@ Il est bien entendu qu'on peut utiliser, pour constituer la char- ge mélangée dans le four avec les grains d'oxyde, d'autres matières équiva- lentes très nombreuses. Par exemple, au lieu de fines d'anthracite, on peut utiliser-dans certains cas du coke bitumineux finement divisé ou du coke de pétrole finement divisé, dont la cendre possède un point de fusion élevé.
Au lieu du carbonate de sodium, on peut utiliser, non seulement de l'alumi- nate de sodium, mais tous les autres carbonates métalliques alcalins ou al- calino-terreux et tous les autres catalyseurs connus possédant la proprié- té d'intensifier la réaction du carbone avec l'oxygène. Au lieu de chaux, de pi erre à chaux ou de dolomite, on peut employer différents autres compo- sés de calcium, ou d'autres matières, pour empêcher le soufre présent de s'incorporer au fer réduit.
Dans certains cas on peut également introduire des gaz brûlés, en même temps qu'une. quantité d'air limitée, dans l'extrémité de décharge du four, et la charge de celui-ci progresse alors en contre courant par rapport à ce courant de gaz pénétrant dans le four.
Si la température préférée est comprise pratiquement entre 1030 C et 115000, on peut cependant effectuer la réaction à des températures voisi- nes de 1000 C.
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The present invention relates to processes used to directly reduce iron ores and other iron oxides, by means of carbon or a carbonaceous material, in order to obtain iron and more particularly spongy iron grains. which can be ground into powder or used as a melting material.
The attempts hitherto made to reduce iron oxide directly and continuously, with a view to obtaining sponge iron or the like, in rotary kilns or other kilns, have entailed expenditure. excessive fuel and presented serious difficulties in that; the furnace charge agglomerated in pieces and stuck against the walls, the agglomerates thus formed contained considerable quantities of oxide, ash and carbon used as a reducing agent and as a combustible.
The present invention provides an economical process for overcoming these difficulties and directly effecting a substantially complete reduction of iron oxide to spongy iron containing, for example, 0.01 to 0.2% carbon and free of carbon. any particle of carbon used as fuel and the ash from it.
The process according to the invention consists essentially in first crushing the oxide or iron ore in order to transform it into powder and then forming grains therewith. These grains are made to arrive in a rotary kiln or other suitable kiln, together with a fine carbonaceous material of such a nature that its ash does not melt and agglomerate at the reaction temperature of the kiln ( 1.038 to 1150 C).
Air is admitted into the furnace with a limited flow rate so as to supply just the air necessary to react with the quantity of carbon essential to produce the heat allowing all the iron oxide to be reduced to iron. Some excess carbon is introduced, which is discharged outside the furnace with the reduced grains of spongy iron, but it is easy to separate this excess carbon from the grains by a screening or magnetic separation process. The excess carbon in the furnace acts rapidly to reduce the carbon dioxide formed by the reaction to carbon dioxide so that the grains remain in a furnace atmosphere consisting mainly of nitrogen and carbon dioxide. carbon until they are reduced to spongy iron.
The grains, with the excess carbon, are then advanced through a cooling zone, while still leaving them in an atmosphere comprising mainly nitrogen and carbon monoxide, until the mixture is sufficiently cooled to be discharged without risking re-oxidizing the iron.
In order to absorb any sulfurous and volatile compounds which may be released during the heating of the carbonaceous fuel used, and so that the sulfur cannot penetrate into the reduced iron, a certain quantity of lime is preferably added to the furnace charge, d Lime, limestone or dolomite hydrate for example up to about 2 to 20% by weight based on carbon.
In order that the carbon reacts more easily with the oxygen in the air in the furnace, and that higher concentrations of carbon monoxide can be maintained at lower temperatures, the feed is also preferably added. a small amount of a catalyst, such as sodium carbonate or sodium aluminate. In this way, higher concentrations of carbon monoxide are achieved than if such a catalyst were not used; in addition, complete reduction of iron oxide can be achieved at temperatures well below the temperature. melting point of the ash of the barbone used, The amount of sodium carbonate can vary approximately from 0.5 to 1% by weight based on the carbon
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used.
The carbon is mixed and ground together, preferably so as to obtain fine particles passing through an N 20 mesh screen, the carbon preferably consisting of anthracite fines, the lime, limestone or dolomite, and the carbonate. sodium.
Other objects, characteristics and advantages of the invention will become apparent from the detailed description which follows. We refer to
EMI2.1
will make during this description in the drawing; annëxéqui. several types of installation capable of being used for the implementation of the invention are represented as examples.
On this drawing :
FIG. 1 schematically represents the preferred installation making it possible to implement the invention, the reduction zone in this installation being constituted by a rotary kiln;
FIG. 2 schematically represents another installation in accordance with the invention and consisting mainly of a tunnel oven with a conveyor passing through this oven; this tunnel oven replaces the rotary oven shown in FIG. 1;
Figure 3 shows schematically in vertical section a rotary kiln of the Herreshoff type, which can be used in certain cases instead of the rotary kiln of Figure 1.
The iron ore or the iron oxide to be reduced may be in any well known form, for example in the form of magnetite, or its industrial counterpart consisting of mill slag; it can also consist of iron oxide ash resulting from the combustion of iron sulphide ores and obtained for example by a roasting in the recovery of sulphurous gas from such ores.
Ash of this kind is at present readily available in large quantities and at low cost, for it has virtually no use; however, despite its sulfur content, it can be used economically to practice the present invention, since the sulfur is roasted in the process according to the invention. In a first embodiment of the invention, ordinary commercially available rolling mill slag was used, while in another embodiment a high iron Brazilian hematite was used.
The oxide used may or may not contain appreciable amounts of non-ferrous material, such as silica gangue, without hindering the performance of the process; it is understood however that, if one wishes to obtain an extremely pure iron, one must initially use an oxide or an ore of high purity.
In all cases, the iron oxide used is finely ground, either in the wet state or in the dry state, for example in a ball mill.
EMI2.2
in ta.rli -aIt: # ". c1: Bp # it: if" ae "'grinding. appropriate, so as to obtain the degree of fineness necessary to form grains with the ground powder; however, the degree of Fineness is not particularly critical It is preferable to add a binder during grinding, if it is dry, or after grinding if it is wet.
It is preferable that the ground product contains a sufficient quantity of particles capable of passing through an N 100 mesh sieve or even a finer sieve, so that the operation of forming grains or briquettes can then be carried out efficiently. because a certain proportion of very fine materials facilitates this operation. Grain formation (preferred over briquettes) is carried out by adding 10% water to the dry matter, or by dehydrating the material to a moisture content of 10% if the material is already wet. .
The binder used can be ordinary wheat flour, molasses, sodium silicate, a liquor of
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sulphite, lime, caustic soda or magnesia; any of these materials, used in a proportion of 0.5% to 2% of the weight of the ore, provides a sufficiently hard grain without unduly increasing the lack of purity of the product. When one wishes to obtain a ferrous product of high purity, it is obviously necessary to use a binder which produces as little impurities as possible during the heating of the grains.
The wet sticky mixture is then fed into a rotating drum 11 (which may be of similar construction to that of an ordinary rotary roasting oven) by means of a suitable conveyor 12, comprising a screw d. 'serrated feed 13; This screw has a shape allowing it to break up or slice the mixture into small pieces, which round out into a sphere as it rolls through the drum 11. The dimensions of these spherical grains can be controlled by adjusting the moisture content of the mixture or by changing the configuration of the feed screw to change the cutting action thereof; the grain diameter can be varied from 1.6 m / m up to 5 cm or even more.
However, the best results, in terms of rapid reduction achieved later in the process, are obtained with smaller grains whose dimensions are close to 3 mm or sometimes smaller. In any case, the grains should be sufficiently larger than the carbon particles which will subsequently be mixed with the grains, so that they can be cleanly separated from the excess carbon by screening or other process.
The kernels are moist and soft immediately after their formation; although they can be dried in the rotary drum 11, in which they have been formed, their drying is preferably completed later with minimal stirring to avoid breaking them and reducing them to dust. carried out in 12 on a conveyor belt or in a tunnel dryer.
The dry grains can be used directly, but it has been found advantageous in some cases to subject them to an additional treatment consisting of roasting them at high temperature. This roasting can be carried out without adding fuel, if the oxide used is a magnetic type ore, that is to say a ferrous oxide. The conversion of ferrous oxide to ferric oxide is accompanied, under suitable conditions, by a release of heat sufficient to bring the grains to the onset of melting; reaction is as follows: 4 Fe304 + O2 = 6 Fe203 + release of heat (136 large calories per kg of iron)
To achieve this conversion, air is blown through a bed or column of grains, after having ignited them by means of an external source of heat.
The release of heat generated by the oxidation is sufficiently rapid, if the grains have the dimensions mentioned above, so that they are brought to a beginning of melting, at a temperature close to 1500 C. If the column or the grain bed is kept in motion, for example by continuous feeding and discharging, the grains do not stick together and on cooling they become extremely hard, porous and slightly glassy, with some hollow cores.
It has been found that the grains thus prepared are perfectly resistant to abrasion in the presence of charcoal fines, during the reduction process described below; on the other hand, it has been observed that the grains, entirely oxidized and transformed into ferric oxide, are reduced more rapidly than if they were constituted by a magnetic oxide.
Dried grains, or both dried and roasted, if they have
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been prepared with a binder, such as flour or molasses, which does not contain a metallic base such as soda, lime or magnesia ', swell considerably, after their reduction to iron, and give spongy iron grains that are at least twice the size of the original oxide grains; although this constitutes an advantage for certain applications, as in the case where it is desired to obtain a light and very fine porous iron powder, this swelling is however undesirable for other uses, when it is desired to produce larger particles and higher density.
This swelling can be completely prevented by using half a percent by weight, based on the ore, of soda, lime or magnesia as a binder in the grain forming operation, with or without an organic binder. It is observed that these bases combine with the iron oxide during the high temperature roasting and that the grains do not swell during the subsequent reduction; the grains can even be pulverized to provide a dense metal powder of relatively large particles and this is undoubtedly due to the binding effect produced by the addition of the molten bases.
If hematite or ferric oxide is used as the ore, it is obvious that the ore cannot oxidize further and the grains cannot be roasted; has found, however, that if one adds to an ore of this type, during the milling operation, about 71% by weight of a reduced iron powder, a mixture is obtained by the process in accordance with the invention, as if it were a ferrous or magnetic oxide, and therefore capable of being roasted.
Another important characteristic of the use of a finely divided ore, then formed into grains and finally roasted as explained above, is that the grains are freed of all traces of sulfur during roasting and that the grains finally obtained are appreciably round, hard, glassy, but nevertheless extremely permeable to reduction gases.
When grains have been formed as just explained, they are mixed in a hopper 13 with about 40% by weight of carbon in the form of substantially dry anthracite fines, the particles of which are significantly smaller than the grains. , so that the excess carbon can be easily separated later from the reduced grains,
by means of a sieve whose meshes retain the grains and allow the carbon particles to pass. Anthracite fines or any suitable carbon can be used which give refractory ash, that is, ash which, in the presence of the additives defined above, is infusible at the reduction temperature.
Anthracite is preferably used, because its ash has a high melting point, is inexpensive, plentiful, and generally has so little sulfur content that a small addition. lime is sufficient to retain this sulfur and prevent it from entering the iron. Anthracite from Wales has been used with success, as well as anthracite from Pennsylvania. It is generally advantageous to add up to 1% sodium carbonate to charcoal because its presence greatly increases the concentration of carbonate. carbon monoxide at temperatures in the region of 1030 to 1150 C which are used for the reduction.
On the other hand, it has been found that a relatively dry reducing agent containing little volatile hydrocarbons gives better results, because during combustion a sufficient quantity of water vapor is not formed to produce a sufficient quantity of water vapor. condensation during cooling of reduced iron
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The mixture of iron oxide grains and relatively dry charcoal fines is directed by conveyor 14 to the loading end of the reduction furnace. A rotary kiln, such as kiln 15, is preferable; it can be in special steel insulated on the outside against heat and can be used without refractory lining; this furnace can also be a suitably insulated steel furnace with m lining 16 in bricks.
Such a rotary kiln comprises an extension 17, which is suitably cooled by water, for example by sprayed water jets 26, and in which the reduced grains, the excess carbon and the shielding gas resulting from the reaction move together towards the discharge end 18.
An oven of the type. fixed tunnel, like the furnace 20 of FIG. 2, was used with a stainless steel conveyor belt 21 moving in a continuous movement and forming a hearth or having a hearth of the vibration type, in all cases. In this case, the furnace has at 22 a water-cooled extension. It is also possible to use a multi-deck oven of the well-known Herreshoff type (fig. 3); this furnace has superimposed soles, with rotating rings which move the load from the top to the base of the furnace, making it pass successively through the different soles, the lowest of which at 23 can be cooled by coils of water cooling 25.
Regardless of the type of furnace used, it is essential that its extension, or cooling section, be directly connected by a gas-tight connection to the heating section of the furnace; in this way, when the reduced grains (iron) and excess carbon leave the reduction zone, they preferably move together with the exhaust gases, to enter and pass through the cooling section; they are therefore cooled, almost to atmospheric temperature, in a gas of the same composition (with regard to the CO / CO 2 ratio) as that established at the outlet of the reduction zone.
Analysis of the gases, for the CO / CO2 ratio, indicates whether a sufficiently high percentage of carbon monoxide is maintained during cooling so that the grain surfaces are not oxidized again during cooling. this operation. If the ratio of carbon monoxide to carbon dioxide is equal to 2 at the outlet of the reduction zone and if neither air nor oxygen is added in the cooling zone, this gas composition remains reducing with respect to grains while they are cooling; the grains are thus discharged into the atmosphere without oxidation. They can be transferred by means of a conveyor 26 to a suitable screening or magnetic separation device 27 which separates them from excess carbon and removes substantially all traces of carbon.
The grains can then be ground in a mill 28 to obtain iron powder. It has been found that large quantities of grains thus prepared did not contain more than 0.2% carbon and could even have a carbon content as low as 0.01%.
The heated reducing section can be of any desirable length and diameter, depending on the capacity desired, but its rotational speed (eg, one revolution per minute) and feed rate should be chosen so as to achieve maximum speed. grain travel time not less than 80 min., if the grain has a diameter down to 1.6 m / m; grains with a diameter of 5 cm require more than two hours to achieve complete reduction.
The carbon dioxide, which is formed in a decreasing amount as the charge progresses towards the outlet of the furnace, is reduced to carbon monoxide by the hot particles of the excess oarone.
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If we charge in this way, we see that the temperature can be maintained without difficulty at the desired value for the reduction (1038 to 115000) over the entire length of the furnace, by means of a single controlled air inlet. the inlet end of the furnace, since the heat generated rapidly at the load end is rapidly absorbed by the cold load and by the endothermic reaction occurring at this end, while the carbon monoxide formed, which acts on hot and almost entirely reduced grains towards the discharge end give off heat; this heat is however absorbed at least in part by the endothermic reduction of carbon dioxide produced by the still hot carbon located at this end.
The gases leaving the cooling zone at 18 are collected in a casing 30 and are sucked by a fan 32 through a duct 31, from where they pass through an air heater 33 to arrive in a fitting 34. evacuation. Since the gases evolved in the present process contain a fairly large percentage of carbon monoxide, air is preferably introduced through a fitting 35 to allow the carbon monoxide to burn off before the gases. are discharged through the outlet connection 34.
The air introduced into the reducing zone arrives via a pipe 36 passing through any suitable metering device; it is preheated in the heater 33, before entering the pipe 37, from where it is discharged into the furnace by an inlet fitting 38 surrounding the conveyor 14 and concentric with the latter .
As seen at 40, the inlet end of the furnace is fitted with a suitable oil or gas burner, which serves to bring the interior of the pit to the required temperature, for example 1038. C to 1150 C, to then start operations.
However, when the reducing reaction has been properly initiated, the operation of the burner is stopped; although the gases move through the furnace preferably at the same time as the charge, it is found that the inlet region, at inside the oven, is maintained at the necessary ignition temperature, thanks to the reverberation taking place on the side walls or on the upper wall of the oven, at the load end, and the fact that parts The heat of the charge, which is stirred in the furnace, partly falls back to the region of the inlet.
Of course, the transport tunnel type furnace (fig. 2) can be fed, if desired, in the same way as the rotary kiln of fig. 1, and that the gases can be collected at the outlet in an envelope such as 30 ', then be directed to a heater before escaping through an exhaust flue as in the case of FIG. 1 The product leaving the oven in fig. 2 can also be transferred by a conveyor 26 'to a screening and grinding device, as explained with regard to FIG. 1.
In the oven of fig. 2, electric heaters, for example 40 ', can be installed to bring the oven to the necessary starting temperature; in the oven of fig. 3, a burner 40 "can be provided for the same purpose. In the latter case, the upper hearth 41 can be used, if desired, to preheat the charge received from a hopper 42 and a conveyor 43. The exhaust gases and mixture exiting the outlet line 44 of the furnace of Fig. 3 can be handled in the same manner as in the case of the furnaces of Figs 1 and 2.
Instead of measuring the air arriving in each of the ovens, before its introduction into them, it is possible, if desired, to adjust the air supply flow rate by simply modifying the speed or the flow rate of the fan.
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the fan supplying air.
An important consideration with respect to the present invention is that of the relative flow rates with which the grains, carbon and more particularly air are introduced into the furnace. When solid carbon is used to reduce iron ores to any temperature below the melting point of iron, it is known that the reaction does not develop by the direct action of solid carbon on the oxy- of iron, but as a result of a prior conversion of carbon to gaseous carbon monoxide.
The reduction of iron oxide is effected in reality by the action of this gas on the particles of ore and it results from it that one obtains directly metallic iron and carbon dioxide, So that the reaction takes place of a Completely, enough heat must be supplied to reduce carbon dioxide to carbon monoxide by means of free carbon.
It is known that the reaction of carbon monoxide with iron oxides is an exothermic reaction, provided that the gas used and the iron ore are heated in advance to the reaction temperature (1038 C to 1150 C) , so that the temperature of the product (iron) rises. It is also known that a considerable excess of carbon monoxide must be used to complete the reduction in the absence of hot solid carbon, and that this necessary excess constitutes an obstacle to the economical use of carbon monoxide. - bone prepared separately (such as carbon monoxide supplied by a gas production plant) and acting on iron ores, in the absence of free carbon.
In accordance with the present invention, the carbon in the mixture is ignited and the supply of air is controlled so that the carbon provides on burning carbon monoxide, while at the same time giving off enough heat to carry the charcoal. air and grains of iron oxide up to temperature
EMI7.1
Reaction rature èf to co-mplate the red1zJbion reaction, in accordance with the quantity '# e' Qbal-elir requested by it. carbon reaction. on 1toXyde cber.
When using solid carbon to reduce iron oxide, the total heat required when starting the operation with cold raw materials is equal to 1000 large calories per Kg of iron produced. If the heat is generated inside the load, arranging for the combustion to give off only carbon monoxide, according to the formula:
2C + O2 = 2 CO the heat generated is approximately equal to 2460 large calories per Kg of oxidized carbon. So for 100 Kg of ore grains in the load, if we assume that the ore is pure hematite containing 70% iron, we need 100 X 0.7 X 1000 = 70. 000 large calories to reduce all the metal oxide. This quantity of heat can be supplied by the combustion of 70,000 = 28.6 Kg of carbon.
However, for reasons which
2,460 will be explained below, an excess of carbon preferably reaching 12 kg. The combustion of these 28.6 kg of carbon requires approximately the use of 4670 liters of air for each kg of carbon, therefore. , air is blown into the charging end of the furnace or air is drawn in from the discharge end and its flow rate is controlled, based on a discharge gas analysis, of so that the quantity of air is proportioned to the quantity of charcoal and iron oxide grains which have been charged. The exact amount of air can be adjusted by observing the nature of the grains discharged from the cooler, as well as by gas analysis.
If the grains show the beginning of melting of the metal, the reduction temperature is too high and it can then be lowered by decreasing
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air flow or temperature; conversely, if the grains are not sufficiently reduced, the reduction temperature is too low and can be corrected accordingly.
When the necessary heat is generated in this way, the charge is heated to the reaction temperature and it is important to note that the reduction begins at the charge end, where the greatest amount of heat is. needed and where heat can be absorbed quickly. Such a reduction is effected by the gaseous diffusion of carbon monoxide in the porous grains, with simultaneous production of heat inside the grains and release of carbon dioxide so that the reduction can continue and be complete, it is however necessary to maintain a high concentration of carbon monoxide in the gases surrounding the grains.
This can be done by renewing or changing the supply of carbon monoxide, but this is achieved in the present process by maintaining, with the grains partially or completely reduced, an excess of hot carbon particles which serve. to reduce carbon dioxide as it diffuses from the grains.
@ Particles of refractory coal and ash play another role; they serve in fact to form between the grains of reduced iron a non-liquid interference phase and to prevent the grains from agglomerating together and from adhering to the walls of the furnace or to the conveyor if a conveyor is used.
It has been found practically that the use of 40 kg of carbon, or in certain cases of 35 to 50 kg of carbon, is amply sufficient to
100 kg of pure hematite in order to provide the necessary excess carbon, if the carbon consists of finely ground anthracite. The fines or anthracite coke may be sufficiently reactive without the addition of a catalytic agent and may also have a sufficiently low sulfur content that it is unnecessary to add lime to retain the acid. sulfur.
It should be noted, however, that if the carbon fines are not sufficiently reactive to form carbon monoxide, the addition of a catalytic agent, such as sodium carbonate with or without lime, does not does not significantly lower the melting point of the ash in the mixture and works effectively to maintain a high concentration of carbon monoxide.
The well-known phenomenon of the agglomeration or sticking of the charge in furnaces, in particular in rotary furnaces, intended for the production of spongy iron, is due to several causes which are as follows:
1 -The presence or production of oxide fines inside the charge, whereby the reduced metal fines re-oxidize and melt together to form a partially oxidized mass;
2 -the melting of the ashes of the reducing agent;
3 -the transformation of the fuel into coke when, for example, crude bituminous coal is used.
These effects are however avoided by the present invention: a) by using the ore in the form of grains so hard that they are not worn away by the movement of the load in furnaces, such as rotary kilns or kilns. multiple soles. b) by using a reducing carbon (coal) which does not turn into coke and so much more divided than the grains of ore or of reduced iron that it constitutes an interference phase between the grains, this
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reducing agent being further chosen so that its residual ash is not sticky and does not melt, even when adding a catalyst or limestone.
The process according to the present invention can be distinguished from the old known processes mainly by the combination of the following characteristics:
1 -The sticking or agglomeration of the filler is prevented by giving the iron oxide in advance the form of hard grains, which do not disintegrate during the reduction to form fine particles, iron, and by using a kind of carbon, for example anthracite, the ash of which has a melting point much higher than the reduction temperature and which does not adhere to the grains of reduced iron;
2 - Carbon is used as a reducing agent in such a way that all the heat necessary to reduce the iron oxide, starting with a cold load, can be supplied by burning in the load a sufficient quantity of carbon, with a limited quantity air, to form carbon monoxide, and by maintaining in the gases the preponderance of carbon monoxide by the presence of an excess of hot and free carbon in a finely divided and sufficiently reactive state ;
3 - The iron oxide grains and the carbon are quickly heated at the charging end of the reduction furnace, where the most heat is needed, and the charge is advanced, preferably but not always necessarily , together with the gases evolved, which are maintained with sufficient carbon monoxide to maintain an extremely effective reducing action on the iron oxide; then, the resulting mixture is cooled in an atmosphere consisting of the gaseous products of the reaction which prevent the oxidation of iron during its cooling;
4 - The grains of reduced oxide are separated from the excess carbon by ensuring that the grains are notably larger than the carbon particles, a complete separation then being able to be carried out by a screening device or a magnetic device.
The table below indicates the results of the analysis of characteristic ferrous products obtained in accordance with the invention from rolling mill slag:
EMI9.1
<tb> Carbon <SEP> 0.01 <SEP> to <SEP> 0.2% <SEP> maximum
<tb>
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<tb> Phosphorus <SEP> 0.03 <SEP> to <SEP> 0.06%
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<tb> Iron <SEP> metallic <SEP> 98.4 <SEP> to <SEP> 97.5%
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The rolling mill slag was crushed by adding 1/2% by weight lime, and then processed into toasted grains, as explained above.
These grains were reduced, in accordance with the process of the invention, by adding 35% by weight of anthracite charcoal, which passed through a screen with a 60 mesh; this charcoal had been thoroughly mixed with 0.5% sodium carbonate and 5% hydrate of lime. The resulting grains having the compositions indicated above can be broken up to give iron powder which can be used in metallurgy.
By using exceptionally pure ferric oxide ore, for example an ore containing less than 0.4% silica, we have produced
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produced with 35% anthracite from the reduced iron grains, the composition of which was as follows:
EMI10.1
<tb> Carbon <SEP> 0.05 <SEP>% <SEP>
<tb>
<tb> Sulfur <SEP> 0.03 <SEP>% <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Phosphorus <SEP> 0.03%
<tb>
<tb>
<tb> Silica <SEP> 0.40 <SEP>% <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Fe3O4 <SEP> 0.75%
<tb>
<tb> Iron <SEP> metallic <SEP> 98; 74 <SEP>%
<tb>
<tb>
<tb> 100, <SEP> 00 <SEP>%
<tb>
It can be seen from the preceding examples that the separation of the grains and the excess carbon is complete and that the reduction of the iron oxide is also complete.
Similar results are obtained using lower grade oxides, such as pyrite ash, with the difference, however, that if an iron is obtained with a low percentage of carbon; on the other hand, this iron is less pure owing to the gangue which is found in the ash and the content of which reaches 5%. Such a product can be melted down to be refined.
In all cases, the grains obtained are more or less spongy as a result of the treatment to which they are subjected before reduction. The grains, which have been obtained with a pure ferric oxide and a binder based on flour and which have been simply dried, give a very spongy product, which breaks up into an extremely fine powder which may be suitable for the production of magnetic cores. ; on the contrary, the grains which have been prepared with the addition of 1/2% of an alkaline or alkaline-earth base and which have been roasted at a temperature above 1093 C, after reduction give less spongy grains, which become disintegrate into a relatively coarse powder more suitable for the manufacture of mechanical parts.
However, all of the resulting grains, whatever their type, can be simply melted, or compressed to form loaves and then be melted, if a solid non-spongy metal is desired.
@ It is understood that one can use, to constitute the charge mixed in the furnace with the oxide grains, other very numerous equivalent materials. For example, instead of anthracite fines, finely divided bituminous coke or finely divided petroleum coke, the ash of which has a high melting point, can be used.
Instead of sodium carbonate, not only sodium aluminate can be used, but all other alkali metal or alkaline-earth metal carbonates and all other known catalysts having the property of intensifying the absorption. reaction of carbon with oxygen. Instead of lime, limestone, or dolomite, various other calcium compounds, or other materials, can be employed to prevent the sulfur present from being incorporated into the reduced iron.
In some cases it is also possible to introduce burnt gases at the same time as one. limited amount of air, in the discharge end of the furnace, and the charge of the latter then progresses in countercurrent with respect to this current of gas entering the furnace.
If the preferred temperature is substantially between 1030 C and 115000, however, the reaction can be carried out at temperatures in the region of 1000 C.