La présente invention concerne un procédé de production de métal liquide dans un four de fusion couplé à un four de traitement thermique ainsi qu'un dispositif de fusion.

Depuis de nombreuses années, des efforts considérables ont été dé- ployés pour développer des alternatives. au haut fourneau, pour la production de fonte, notamment pour des productions de faibles voiumes. C'est dans ce contexte qu'est né le concept du couplage préréduction-fusion. II s'agit de préréduire des particules de fer dans un réacteur de préréduction, puis de les transférer en direct et en continu dans un four de fusion. Les particules de fer préréduit doivent donc tre transférées du réacteur de préréduction vers le four de fusion tout en évitant des pertes de chaleur (les particules de fer préréduit sont à 1000-1100°C) et la réoxydation des particules de fer préréduit.

Les conditions de transfert des particules de fer préréduit sont délicates car elles sont à une température élevée.

Les dispositifs d'étanchéité souffrent énormément de cette haute tempé- rature qui peut engendrer des appels d'air dans le dispositif de transfert et provoquer l'oxydation des particules de fer préréduit.

Les pièces mécaniques du dispositif de transfert sont déformées par la chaleur, altérant le fonctionnement d'articulations mécaniques par exemple.

L'objet de la présente invention est de proposer un procédé de production de métal liquide dans un four de fusion couplé à un four de traitement thermi- que, permettant le transfert en direct et en continu de particules, et ne présen- tant pas les inconvénients susmentionnés. Cet objectif est atteint par un procédé de production de métal liquide dans un four de fusion couplé à un four de traitement thermique, dans lequel : (a) on soumet des particules de métal, généralement oxydé, à un trai- tement thermique dans le four de traitement thermique ;

(b) on transfère les particules à chaud par chute depuis le four de trai- tement thermique dans le four de fusion ; (c) on fond les particules dans le four de fusion.

Le procédé selon l'invention permet la fusion de particules dans un four de fusion couplé à un four de traitement thermique tout en évitant pertes de chaleur et oxydation de particules. 11 est possible de fondre des particules provenant en continu et en direct d'un four de traitement thermique. On fait tomber directement les particules de métal du four de traitement thermique dans le four de fusion. Elles n'entrent pas en contact avec des éléments mécaniques destinés à leur transfert ; éléments qui les refroidiraient et qui risqueraient de se déformer sous !'effet de la température. En contrôlant l'atmosphère entourant les particules pendant leur transfert du four de traite- ment thermique vers le four de fusion, on évite dans une grande mesure leur oxydation.

Par ailleurs, en fondant les particules dès leur sortie du four de traitement thermique, on évite que leurs caractéristiques à la fin de t'étape (a) ne soient altérées lors d'un éventuel stockage.

Avantageusement, les particules sont accélérées pendant leur chute au cours de l'étape (b). Ceci permet de contrôler la manière dont elles arrivent dans le four de fusion. Ainsi, en accélérant les particules pendant le transfert, elles entrent dans le four de fusion avec une vitesse suffisante pour ne pas tre emportées par les fumées, et pour pénétrer dans la couche de laitier qui recouvre généralement le bain.

De préférence, on accélère les particules dans un jet de fluide dirigé vers le bas.

Selon un premier mode de réalisation, le jet de fluide est formé par une série de jets de fluides auxiliaires dirigés vers le bas dans un angle compris entre 20 et 70° par rapport à I'horizontale.

Selon un deuxième mode de réalisation, les jets de fluides auxiliaires sont

dirigés vers le bas dans un angle compris entre 20 et 70° par rapport à I'horizontale et sont tangentiels. C'est-à-dire que les jets de fluide agissent de manière coordonnée pour faire tourner, en étant tangentiels à un cercle, les particules pendant leur chute, d'où une trajectoire en spirale.

De préférence, le jet de fluide comprend un mélange gazeux en combus- tion qui est avantageusement en réglage réducteur.

D'une part, les particules sont entraînées et accélérées dans le mélange gazeux en combustion, propulsant les particules dans le four de fusion. D'autre part, la chaleur du mélange gazeux en combustion permet de compenser, au moins en partie, la perte de chaleur des particules pendant le transfert.

On peut utiliser un mélange de gaz naturel et d'un gaz contenant de l'oxygène comme p. ex. de I'air. En réglant les proportions de gaz naturel et d'air, on peut obtenir une atmosphère non-oxydante pour les particules.

Selon un autre mode de réalisation, le mélange gazeux comprend des hy- drocarbures vaporisés et un gaz contenant de l'oxygène.

II s'agit p. ex. d'huiles ou de liquides contenant des hydrocarbures qui sont vaporisés et brutes pour accélérer les particules. On remarquera que cette réalisation se revte avantageuse car elle permet notamment d'utiliser des huiles usagées ou d'autres déchets liquides contenant des hydrocarbures.

Avantageusement, la chaleur du mélange gazeux en combustion est suffi- sante pour limiter la perte de chaleur, respectivement chauffer, les particules pendant l'étape (b). De plus, le jet de fluide peut fondre une partie des particu- les pendant l'étape (b).

De préférence, le four de fusion comprend une sole recevant un bain de métal en fusion recouvert d'une couche de laitier. Le jet formé par le mélange gazeux en combustion et les particules accélérées est réglé avantageusement de sorte à posséder une force d'impulsion suffisante pour pénétrer sur au moins une partie de son épaisseur la couche de laitier et définir une zone d'impact du jet, la force d'impulsion étant préférentiellement inférieure à 100 N. En effet, il

est souhaitable que le jet pénètre la couche de laitier sans toutefois provoquer trop de remous dans le bain. Pour la mme raison, on veillera de préférence à ce que la zone d'impact soit comprise dans un cercle d'un diamètre inférieur à 0,7 m.

Avantageusement, on dirige un ou plusieurs jets d'oxygène vers la péri- phérie de la zone d'impact. Ces jets d'oxygène permettent d'écarter le laitier, de décarburer le bain de métal en fusion, et de réchauffer le bain autour de la zone d'impact.

Selon un autre mode de réalisation, le traitement thermique de l'étape (a) comprend au moins un des traitements suivants : séchage, calcination, préré- duction.

Ainsi, le procédé permet la préréduction et la fusion de particules de fer ou de minerai de fer, et s'applique également à la métallurgie d'autres métaux, par ex. le nickel. Par ailleurs, on peut simplement utiliser le four multi-étages pour sécher et calciner des particules, ceci avant de les transférer, mme à l'état oxydé, pour les fondre dans le four de fusion.

Ces traitements peuvent se faire par exemple dans un four multi-étages à soles annulaires espacées verticalement.

Selon un autre aspect de l'invention, on propose un dispositif de fusion de particules comprenant un four de fusion, un four de traitement thermique et un dispositif de transfert. II sera apprécié que le dispositif de transfert comprend un conduit comportant un segment sensiblement vertical pour transférer les particules depuis le four de traitement thermique dans le four de fusion par chute sous l'influence de la gravité.

Un dispositif de fusion muni d'un tel dispositif de transfert ne comporte pas de pièces mécaniques en mouvement dont le fonctionnement peut tre altéré par la haute température ; et il permet l'enfournement dans un four de fusion de particules chaudes provenant en direct et en continu d'un four de traitement thermique.

Avantageusement, le dispositif de transfert comprend au moins un moyen d'accélération pour accélérer les particules pendant leur chute. II peut s'agir d'une buse émettant un jet de fluide.

Selon un premier mode de réalisation, la buse est installée à l'intérieur du conduit et le jet de fluide est orienté vers le bas, le jet de fluide passant prefé- rentiellement par le milieu d'une section droite du segment sensiblement vertical. Les particules sont accélérées en ligne droite.

Selon un deuxième mode de réalisation, une série de busillons est installée dans une paroi du conduit, le jet de fluide émis par chaque busillon formant un angle entre 20° et 70° vers le bas, par rapport à I'horizontale.

Selon un mode de réalisation particulier, les busillons sont installés dans une paroi du conduit, le jet de fluide émis par chaque busillon formant un angle de préférence entre 20° et 70° vers le bas, par rapport à I'horizontale, et étant tangent à un cercle de diamètre inférieur à celui du conduit de manière à accélérer les particules dans une spirale. Les particules sont ainsi accélérées tout au long de la traversée du conduit sensiblement vertical.

Avantageusement, le four de fusion comprend une sole recevant un bain de métal en fusion dans laquelle un dispositif de brassage est installé en regard du conduit.

Ce dispositif de brassage comprend p. ex. une brique poreuse délivrant un gaz inerte dans le bain de métal en fusion.

Selon un autre mode de réalisation, le dispositif comprend au moins un moyen pour émettre un jet d'oxygène à la périphérie du dispositif de transfert.

D'autres particularités et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée de quelques modes de réalisation présentés ci-dessous, à titre d'illustration, en se référant aux dessins annexés. Ceux-ci montrent : Fig. 1 : diagramme schématique du dispositif de fusion selon l'invention ; Fig. 2 : schéma d'un premier mode de réatisation du dispositif de transfert ; Fig. 3 : schéma d'un deuxième mode de réalisation du dispositif de transfert.

Sur les Figures, les mmes références désignent des éléments identiques ou similaires.

La Fig. 1 illustre un dispositif de fusion selon un mode de réalisation l'invention.

Avant d'étudier en détail ce dispositif, il est intéressant de rappeler le pro- cédé de production de métal liquide selon l'invention. Dans le présent procédé, on produit du métal liquide dans un four de fusion couplé à un four de traite- ment thermique. Tout d'abord, on soumet des particules de métal à un traite- ment thermique dans le four de traitement thermique. Par particules de métal, on désigne dans le cadre de la présente, des particules contenant du métal, le plus souvent sous forme oxydée.

Pour la fabrication de fonte, on emploie des particules de fer ou de minerai de fer, que l'on préréduit dans le four de traitement thermique, par exemple un four mufti-étages ou un four à lit fluidisé. Puis on transfère les particules de métal, qui ont été préréduites, à chaud, par chute depuis le four de traitement thermique dans le four de fusion. Enfin, les particules de fer sont fondues dans le four de fusion, par exemple un four électrique.

On appréciera que le procédé ne se limite pas à la production de fonte li- quide. En effet, il est possible de produire de nombreux métaux ou alliages liquides à partir de particules solides. Pour le nickel par exemple, on utilisera un procédé similaire à celui du fer, basé sur la préréduction-fusion. Toutefois, on pourrait envisager de ne pas préréduire les particules de métal dans le four de traitement thermique mais simplement de les calciner avant de les transférer et de les fondre. II est également possible de produire des métaux liquides à partir de particules de métaux provenant de déchets contenant des métaux ; dans ce cas, le four de traitement thermique est un four d'incinération.

Comme illustré Fig. 1, le dispositif de fusion comprend un dispositif de transfert 8 permettant le transfert à chaud de particules arrivant en continu et directement d'un four de traitement thermique 10 vers un four de fusion 12, placé partiellement en dessous du four de traitement thermique 10. Le dispositif

de transfert 8 comprend un conduit ayant un segment p. ex. un tube 14 sensi- blement vertical qui relie le four de traitement thermique 10 au four de fusion 12, pour la chute des particules par gravité. II est clair que pour que les parti- cules puissent tomber par gravité depuis le four de traitement thermique 10 dans le four de fusion 12, I'orifice de sortie des particules du premier doit se trouver à une altitude plus élevée que l'orifice d'entrée des particules du deuxième.

Ci-dessous, on présente deux modes de réalisation du dispositif de transfert 8 pouvant tre utilisés dans le dispositif de fusion selon la présente invention ; les différentes étapes et caractéristiques du procédé sont aisément déduites des caractéristiques du dispositif de fusion.

La Fig. 2 est un schéma d'un premier mode de réalisation du dispositif de transfert 8. Un four de fusion, p. ex. un four électrique 12, est placé partiellement en dessous d'un four de traitement thermique p. ex. un four mutti-étages 10. Le four électrique 12 comprend une sole 20 qui reçoit un bain 22 de métal en fusion recouvert d'une couche de laitier 24. Le dispositif de transfert 8 permet la chute directe de particules 26 chaudes du four mufti-étages 10 dans le four électrique 12. Les particules tombent dans le four électrique 12 par l'intermédiaire d'un tube 14, sensiblement vertical ; connectant la sortie 28 située dans une paroi inférieure du four multi-étages 10 à une ouverture 30 du four électrique 12. Les particules 26, qui sont à une température entre 900 et 1100°C à la sortie du four multi-étages 10, chutent donc à travers le tube 14 dans le four électrique 12. Une buse 32 débouchant à travers la paroi du tube 14 est dirigée vers le bas en direction du four électrique 12. La buse 32 émet un mélange gazeux, qui entraîne les particules 26 tombant du four multi-étages 10 et les accélère vers le four électrique 12. Le mélange gazeux émis par la buse 32 est sensiblement coaxial à I'axe du tube 14, au milieu de la section. Le mélange gazeux issu de la buse 32 est un mélange en combustion de gaz naturel et d'air. Les proportions sont calculées de manière à ce que la combus- tion du gaz naturel et de I'air forme majoritairement du CO ; on parle alors de réglage réducteur. Un réglage réducteur donne une flamme réductrice, qui peut

tre caractérisée par un paramètre X, représentant le rapport du débit d'02 à 1'O2 nécessaire pour la combustion complète en CO2 et H20. ; i, est souhaitable d'avoir un X d'environ 0,3.

Les gaz réducteurs formés par la combustion permettent d'avoir une at- mosphère réductrice dans le tube 14, évitant ainsi la réoxydation des particules 26 pendant leur transfert. La chaleur du mélange gazeux en combustion permet de maintenir une température élevée dans le tube 14 du dispositif de transfert 8, permettant ainsi d'éviter le refroidissement des particules 26 et de réchauffer les parois pour éviter que les particules ne s'y collent. La chaleur de la flamme permet également de faire fondre des particules 26 qui seraient coincées, collées aux parois, à l'intérieur du tube 14.

Le mélange gazeux issu de la buse 32 entraîne les particules 26 qui pé- nètrent la couche de laitier 24 pour atteindre le bain 22. On remarquera qu'une fois que les particules sont prises dans le jet de fluide issu de la buse 32, elles ne peuvent plus tre emportées par les fumées. Dans le four électrique 12, la force d'impulsion du jet de fluide-le produit du débit massique de fluide et de la vitesse du jet, pour un jet subsonique-est inférieure à 100 N, afin de limiter I'amplitude des vagues, tes débordements et projections causés dans le bain 22 par le jet. L'endroit où le jet frappe le bain (ou le laitier si le jet ne traverse pas entièrement le laitier) définit une zone d'impact Z. On veillera à ce que cette zone d'impact soit comprise dans un cercle d'un diamètre maximal de 0,7 m.

On notera qu'il est souhaitable mais pas nécessaire que le jet traverse com- plètement le laitier pour arriver jusqu'au bain. On considère généralement que si le jet pénètre deux tiers de l'épaisseur du laitier, on obtient un bon mélange des particules avec le bain.

Des moyens pour délivrer des jets d'oxygène 34, installés au-dessus du bain 22, dirigent un rideau de jets d'oxygène autour de la zone d'impact Z. Ces jets d'oxygène 34 permettent t'écartement du laitier, la décarburation du bain 22 de métal en fusion et réalisent également un apport de chaleur dans la région de la zone d'impact Z. Toutefois, les jets d'oxygène 34 doivent tre suffisam-

ment éloignés des particules 26 pour ne pas les oxyder.

Un dispositif de brassage 36 est installé dans la sole 20 du four électrique 12, en regard du tube 14.11 comprend une brique poreuse qui injecte un flux de gaz inerte, par exemple de I'azote (N2), dans le bain 22. L'azote émis par la brique poreuse provoque des remous dans le bain 22, qui entraînent les particules 26 de la surface vers le fond du bain 22. Ce brassage vient s'ajouter 1'effet du mélange gazeux en combustion et des jets d'oxygène 34, pour favoriser la pénétration des particules 26 dans le bain 22 de métal en fusion.

La Fig. 3 illustre un mode de réalisation du dispositif de transfert 8 com- prenant une série de busillons 37 installés dans la paroi du conduit. Comme on le voit sur la Fig. 3, les busillons 37 sont installés sur trois niveaux, le long du conduit. A chaque niveau se trouvent deux busillons 37 diamétralement opposés, chacun d'entre eux étant incliné vers le bas de sorte que les mélan- ges gazeux en combustion qu'ils émettent forment un angle d'environ 45° vers le bas, par rapport à I'horizontale. De plus, les busillons 37 ont été orientés de manière à ce que les mélanges gazeux en combustion qu'ils émettent soient tangents à un cercle de diamètre inférieur à celui du tube 14 (on parle de jets de fluide tangentiels). Ainsi, les particules chutent (flèche en pointillés) du four multi-étages 10 dans le tube 14, sont entraînées et accélérées par les mélan- ges gazeux en combustion dans une trajectoire en spirale 38 les menant vers le four électrique 12. Ce mode de réalisation a notamment t'avantage de chauffer le conduit sur toute sa hauteur. Si le conduit n'est pas cylindrique, contraire- ment au tube 14, on orientera les mélange de gaz en combustion pour qu'ils soient tangents à un cercle pouvant tre compris dans la section du conduit.

Les busillons 37 sont semblables à la buse 32, et pourraient tre em- ployés en plus de cette dernière ; c'est pourquoi on parle de jets de fluides auxiliaires.

II est possible de brûler des hydrocarbures vaporisés dans le mélange ga- zeux en combustion. Cette solution économique permet de recycler des huiles usagées ou autres liquides contenant des hydrocarbures. Cela peut se faire en

montant une chambre de vaporisation en amont d'une buse 32 ou d'un busillon 37. On chauffe la chambre de vaporisation à 1000°C et on y introduit du liquide contenant des hydrocarbures. Le liquide contenant des hydrocarbures se trouve vaporisé, formant ainsi un gaz riche en hydrocarbures. Le gaz (liquide vaporisé) obtenu est évacué en direction de la buse pour tre injecté dans le tube 14 et brute avec de I'air.

On notera enfin, que le procédé et le dispositif de fusion ont été présentés dans des modes de réalisation utilisant un four multi-étages pour la préréduc- tion de particules de fer. Le four mu, ti-étages est un four à soles multiple, les soles étant annulaires et espacées verticalement, permettant de préréduire des particules de fer avec un réducteur carboné. Des soles de chargement et de déchargement sont disposées alternativement. Les premières possèdent une partie circulaire centrale ouverte ; les secondes possèdent une série d'orifices espacés le long de la périphérie de la sole. Le four multi-étages est également muni, en sa partie centrale, d'un arbre de rotation vertical auquel sont attachés des râteaux s'étendant sur tout le rayon des soles. Les particules de fer sont introduites par la partie supérieure du four multi-étages et tombent sur la première sole de chargement. Les râteaux, entraînés par I'arbre de rotation vertical, étalent les particules de fer et les ramènent vers l'ouverture centrale par laquelle elles tombent sur la sole de déchargement inférieure. Les râteaux dirigent ensuite les particules de fer vers les orifices périphériques, par lesquels elles tombent sur la sole de chargement inférieure. Ces étapes se répètent jusqu'à ce que les particules de fer atteignent l'étage le plus bas. Les particules de fer sont alors évacuées et on parle de particules de fer préréduit. Le maté- riau réducteur, le charbon, peut tre introduit au niveau de la première sole de chargement, mais également à un niveau inférieur. Alors que les particules de fer descendent dans le four multi-étages, les gaz produits par les réductions s'élèvent : c'est un réacteur à contre-courant.

Exemple chiffré : Dans la réalisation de la Fig. 2, on désire alimenter le four électrique 12

avec un débit de 25 t/h de particules 26 de fer préréduit. On utilise alors un dispositif de transfert 8 avec un tube 14 de diamètre intérieur 0,5 m. La buse 32 est installée sensiblement au milieu du tube 14, c'est-à-dire confondue avec I'axe de ce dernier. Elle est alimentée par un mélange de gaz naturel et d'air, les débits sont calculés de manière à obtenir un de 0,3 ; on obtient une flamme d'une puissance de 2 MW. L'ouverture de jet de la buse 32 (angle avec lequel les gaz sortent de la buse) étant de 22°, on a placé la buse 32 à une distance D d'environ 2 m au-dessus du bain 22 de métal en fusion, de façon à ce que le jet formé par le mélange gazeux en combustion ensemble avec les particules 26 frappe le bain 22 dans une zone d'impact Z définie par un cercle de 0,7 m de diamètre au plus. Dans le four électrique 12, on forme à I'aide d'une électrode 40 un arc électrique d'une puissance de 12 MW sur une hauteur H de 0,4 m au-dessus du bain 22.