Elle concerne également une installation à cet effet et l'éponge métallique pouvant tre produite.

Buts de l'invention L'invention vise d'une part à augmenter les vitesses de réaction par un mélange de la charge, par une augmentation de l'efficacité du rayonnement du four et par une augmentation de la surface d'échange thermique avec l'atmosphère du four, et d'autre part à utiliser de manière plus efficace les capacités réductives des constituants volatils du charbon par leur passage forcé dans une couche d'oxydes métalliques préchauffée. Conjointement, ces conditions opératoires devraient également conduire à une augmentation importante de la capacité de production par unité de surface et à une réduction de la production de dioxyde de carbone rejeté dans l'atmosphère par quantité unitaire d'oxydes métalliques réduits obtenue.

L'invention a également pour objet d'évacuer moins de poussières vers les installations de traitement du gaz grâce à un contrôle de la vitesse de ces gaz tout en maintenant minimal le volume du four.

L'invention vise aussi à produire une éponge métallique présentant une meilleure homogénéité du degré de réduction dans la masse par rapport aux produits résultant des techniques connues.

Arrière-plan technologique à la base de l'invention et état de la technique La réduction directe d'oxydes métalliques, notamment des minerais mais également de différents oxydes métalliques recyclés, s'est largement développée ces dernières années.

Dans le document EP-0 692 543-A1, on décrit un procédé pour fabriquer une éponge de fer à basse teneur en soufre.

Dans ce document, on indique qu'on dispose sur une sole mobile, une charge non préchauffée composée de couches superposées de matières finement divisées, au moins une de ces couches étant constituée essentiellement d'oxydes de fer et au moins une autre couche étant formée par un mélange d'un agent réducteur carboné solide et d'un agent désulfurant. La réduction des oxydes de fer est principalement réalisée au moyen du monoxyde de carbone en provenance du charbon, les constituants volatils du charbon ne participant que partiellement à la réduction des oxydes de fer.

De mme, dans la production d'éponges de fer à partir de pellets formés d'un mélange d'oxydes de fer et de charbon, on effectue la réduction des oxydes de fer

principalement au moyen du monoxyde de carbone en provenance du charbon, les constituants volatils du charbon ne prenant que partiellement part au processus de réduction.

Dans le document LU-60981-A (Société Anonyme des Minerais), on décrit un procédé pour fabriquer une éponge de fer comportant l'utilisation d'un réacteur continu à sole tournante avec un déplacement de matière de la périphérie vers le centre, alimenté d'abord en charbon seul et ensuite par du minerai de fer en pellets ou en morceaux préchauffé à la température de réaction. Des racloirs fixes assurent un déplacement du charbon vers le centre à chaque rotation. Après que se soit produit un mélange plus ou moins poussé, entre la source carbonée largement cokéfiée et le minerai de fer préchauffé, à l'aide d'autres racloirs, la charge est évacuée par un puits central. Les gaz de distillation du charbon et les gaz réactionnels sont partiellement ou totalement brûlés en chauffant les matières solides se déplaçant dans le réacteur avant d'tre évacués avec de fines particules entraînées vers un collecteur disposé au-dessus du réacteur.

Ce procédé (qui n'est illustré par aucun dessin) ne comporte pas de moyens efficaces pour la meilleure utilisation possible des propriétés réductrices des constituants volatils du charbon, ceux-ci étant utilisés essentiellement pour leurs propriétés calorifiques par combustion hors du champ réactionnel. D'autre part la formation de la charge par couches superposées de matières non préalablement mélangées et l'utilisation de racloirs déplaçant à chaque fois la totalité de la charge ne permettent pas d'obtenir une bonne homogénéisation de

charge, en matière et en température, et une productivité élevée.

Dans le document US-5 567 224-A (Kundrai), on décrit un procédé pour fabriquer une éponge de fer dans un four à sole tournante à l'aide d'une flamme oxydante disposée juste au-dessus de la surface supérieure de la sole. On place un mélange d'oxydes métalliques et d'un réducteur carboné sur la sole qui passe devant les brûleurs lors de la rotation de la sole. Ensuite, on charge une seconde couche de réducteur et on poursuit le chauffage.

Aucun dispositif n'est prévu pour remuer et/ou mélanger la matière. L'évacuation s'effectue vers la périphérie à l'aide d'une vis d'Archimède.

Dans le document US-3 383 199-A (Schmidt), on décrit un procédé pour fabriquer une éponge de fer en alimentant les matières sur une chaîne transporteuse en plusieurs couches sans que soient indiqués des moyens pour assurer le mélange des constituants des différentes couches entre eux ou le mélange de ces différentes couches entre elles.

Dans le document US-3 770 417-A (Kranz), on décrit un procédé pour fabriquer une éponge de fer simultanément avec la production de coke basé sur l'utilisation d'une chambre de dévolatilisation (distillation) surmontant une sole mobile perforée et chauffée. Le charbon dévolatilisé est ajouté à une charge d'oxydes sous forme d'une seconde couche pour assurer la réduction. Des racloirs montés sur le toit du réacteur agitent la matière et peuvent servir pour 1'évacuer vers une sortie centrale.

Dans le document US-3 475 286-A (Kemmerer), on décrit un procédé pour fabriquer une éponge de fer basé sur l'utilisation d'un four rotatif à sole conique équipé de racloirs fixes montés dans le toit du réacteur qui assurent un déplacement de la matière vers le centre. Il est prévu de disposer des racloirs de façon à maintenir constante l'épaisseur du lit de matières sur la sole.

Le document"The Comet Process-DRI from fines and coal"publié dans Steel Times, Vol. 224, No. 11, novembre 1996, page 399 [XP000639991] décrit le principe d'un four à sole rotative développé par la Demanderesse en collaboration avec le Centre de Recherche Métallurgique (Liège-BE).

Toutes les techniques décrites dans ces documents comportent les mmes désavantages que ceux mentionnés pour le brevet LU-60981-A ci-dessus, c'est-à- dire que les constituants volatils du charbon ne participent que partiellement à la réduction des oxydes métalliques et les procédés ne permettent pas d'obtenir une productivité élevée et une bonne homogénéisation en température et en matière de la charge.

Eléments caractéristiques de l'invention L'invention repose sur l'observation que, dans la plupart des procédés de l'état de la technique, une grande partie des constituants volatils du charbon, en particulier l'hydrogène et le méthane, ne sont pas mis en oeuvre pour leur capacité réductive, cette réduction étant en fait opérée principalement par de l'oxyde de carbone dont les cinétiques de réduction sont nettement moins favorables que celles de l'hydrogène. Il est donc apparu

qu'il serait particulièrement avantageux que les constituants volatils précités soient progressivement libérés et, de par leur passage forcé au travers d'une couche contenant des oxydes métalliques, soient mis en contact avec les oxydes métalliques dans des conditions opératoires (en particulier pour ce qui concerne la température des oxydes métalliques et les mélanges successifs des réactifs) telles qu'ils participent à la réduction de ceux-ci. Ceci implique que l'oxyde métallique et les gaz réducteurs libérés soient mis en contact à des températures aussi élevées que possible, sans cependant perturber le déroulement du processus de réduction. Pour ce faire, le charbon sera préchauffé à une température de l'ordre de 200 °C tandis que les oxydes métalliques seront préchauffés à une température de l'ordre de 800 °C, le préchauffage des deux constituants se faisant au moyen de la chaleur récupérée des gaz de combustion évacués au moyen des mmes échangeurs thermiques.

L'invention porte sur un procédé amélioré de réduction directe d'oxydes métalliques dans un four continu à sole tournante, caractérisé en ce que l'on dépose sur une partie dite d'enfournement de la sole sur une largeur de la couronne, qui dépend du diamètre et de la capacité du four, deux ou plusieurs couches avec des teneurs en oxydes métalliques par couche augmentant vers la surface supérieure de la charge et des teneurs en charbon diminuant vers la surface supérieure de la charge, en particulier du charbon à forte teneur en constituants volatils, lequel charbon sera préchauffé à une température de l'ordre de 200 °C tandis que les oxydes métalliques seront préchauffés à une température de l'ordre de 800 °C, le préchauffage des

deux constituants se faisant au moyen de la chaleur récupérée des gaz de combustion évacués au moyen des mmes échangeurs thermiques, afin de porter rapidement le charbon à une température de dégagement des constituants volatils et sous l'effet des constituants volatils ainsi libérés, en particulier de l'hydrogène, de réaliser la réduction des oxydes métalliques préchauffés à une température suffisante pour débuter la réaction de réduction, l'entrée du four étant pourvue d'un équipement créant à la surface de la charge des sillons triangulaires, et dans la première zone du four d'autres équipements complémentaires à double action, qui permettent, par une première action de rabotage des sommets, d'éviter que les sommets de chaque sillon, qui sont très rapidement chauffés, n'atteignent la température d'agglomération, ce qui rendrait leur mélange à la charge plus difficile, la partie rabotée étant ramenée dans le creux des sillons, et par une seconde action, d'obtenir qu'une face de chaque sillon soit rabotée jusqu'à sa base, la partie rabotée étant ramenée sur une face du sillon adjacent et recouvrant la matière amenée par la première action, et grâce auxquels la charge est mélangée progressivement à des niveaux de plus en plus bas et est déplacée radialement au fur et à mesure de la rotation de la sole, la base des sillons étant déplacée à la fin de chaque tour de la charge radialement en une ou plusieurs étapes d'une distance totale correspondant à la largeur de la zone de chargement, et dans la seconde zone du four d'équipements à double action, qui permettent, par une première action de rabotage des sommets, d'éviter que les sommets de chaque sillon, qui sont très rapidement chauffés, n'atteignent la température d'agglomération ce qui rendrait plus difficilement mélangeables par effet de

ségrégation, la partie rabotée étant ramenée dans le creux des sillons, et par une seconde action d'obtenir qu'une face de chaque sillon soit rabotée jusqu'à la sole, la partie rabotée étant ramenée sur une face du sillon adjacent et recouvrant la matière amenée par la première action, la charge étant déplacée radialement au fur et à mesure de la rotation de la sole pour tre évacuée après plusieurs tours, préférentiellement après 4 tours ou plus vers la partie de la couronne opposée à la partie d'enfournement.

Dans une application particulière, la couche du mélange oxydes métalliques/charbon et la couche d'oxydes métalliques est constituée par une couche de pellets incluant ces constituants.

La description qui suit fera référence au terme général d'oxydes métalliques. Ce terme englobe aussi bien les minerais métalliques habituels que les oxydes métalliques recyclés provenant des processus sidérurgiques, par exemple des hauts-fourneaux, des aciéries, des fours électriques ou des laminoirs, qu'un mélange de ces sources d'oxydes avec des fines de coke ou avec du charbon, le cas échéant sous forme de pellets.

On entend par charbon toute matière carbonée à l'état solide.

Dans les première et seconde zones du four, les conditions opératoires sont choisies de manière à réaliser un compromis entre, d'une part, la nécessité de réaliser aussi vite que possible une température élevée et homogène de la charge, et d'autre part la nécessité de ne mettre progressivement en contact avec la couche d'oxydes métalliques ou la couche supérieure du mélange oxydes métalliques/charbon que la partie supérieure de la couche

sous-jacente en évitant d'y incorporer des couches inférieures plus froides de façon à ce que la température du nouveau mélange formé ainsi obtenu soit supérieure à 600 °C, en particulier de l'ordre de 700 °C.

La vitesse de rotation de la sole peut tre comprise entre 3 et 12 tours/heure. De préférence, elle est de 8 tours/heure.

D'autre part, pour ce qui concerne la couche supérieure de la charge, il faut éviter que celle-ci ne se vitrifie, par exemple par formation de silicates du type fayalite qui ont un effet d'inhibition de la réduction. A cet effet, des moyens tels que des râteaux assurent un mélange rapide de la couche de surface dans la couche immédiatement sous-jacente.

Le but final est bien entendu d'obtenir en un temps d'élaboration aussi court que possible pour une épaisseur de la charge de l'ordre de 5 à 10 cm, le temps d'élaboration étant déterminé par le point le plus froid de la charge, une éponge métallique présentant de meilleures caractéristiques d'homogénéité comparée aux éponges produites par les techniques de réduction de l'état de la technique, ces dernières présentant généralement l'inconvénient d'entraîner la production d'un produit avec des taux de réduction des oxydes métalliques variables.

Il est apparu avantageux de mélanger de la chaux aux oxydes métalliques, celle-ci d'une part réagissant comme catalyseur de la réaction, et d'autre part évitant des phénomènes d'adhérence des éponges métalliques.

De plus, la chaux contribue généralement à la désulfurisation de la fonte et à la formation d'un laitier ou de scories plus fluides.

Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention Selon une forme d'exécution préférée, on peut prévoir que : -l'enfournement se fait dans le contour intérieur de la couronne, le petit cercle, de préférence sur 1/8 à 1/12 de la largeur de la couronne, -la matière qui effectue 4 tours complets ou plus selon les conditions de chargement sur la largeur de la couronne, est retournée jusqu'à 100 fois par des râteaux équipés de socs de formes et de fonctions différentes suivant la zone du four telles que décrites ci-dessus, -à chaque soc la charge est déplacée radialement vers l'extérieur, la charge parcourant ainsi un chemin substantiellement hélicoïdal, -le déchargement se fait sur la partie extérieure de la couronne au moyen d'une ou de deux vis sans fin d'une longueur correspondant respectivement à la largeur ou à la moitié de la largeur de chargement, -des brûleurs sont disposés sur les parois des côtés de la couronne, principalement sur les parois extérieures de la couronne, sur le grand cercle, -l'évacuation des gaz se faisant à contre-courant du déplacement de la matière par les parois des côtés intérieurs de la couronne, sur le petit cercle.

Sur les râteaux, les socs à double action de dimensions et de formes différentes sont disposés de façon à ce que les socs de la première zone rabotent progressivement la charge à des niveaux de plus en plus bas jusqu'à la base des sillons, tandis que les socs de la deuxième zone, où la charge n'est pas encore agglomérée et est encore facilement mélangeable, ont une forme appropriée différente de celle des premiers socs et rabotent les

sillons et leur base. On évite de cette manière l'apparition en surface de la charge d'une plaque d'oxydes métalliques réduits trop épaisse, résistante, difficile à morceler et difficile à évacuer.

Les avantages sont essentiellement une réduction plus homogène de la charge, une installation plus simple du chargement, un déchargement plus aisé et un contrôle plus efficace de l'atmosphère du four par un meilleur contrôle des gaz dans le four.

Ces râteaux sont fixes et disposés radialement dans le four, le premier râteau étant disposé dans la zone d'enfournement, c'est-à-dire d'alimentation, du four.

Les socs des râteaux sont fixes et décalés, c'est-à-dire disposés légèrement en quinconce par rapport aux sillons formés par les socs du râteau précédent, par exemple de 50 mm, de façon à raboter un côté en pente de chaque sillon. Le mouvement de la matière sur la sole provoque un mélange (c'est-à-dire un brassage) et la formation d'un nouveau sillon. Les socs créent sur toute la surface de la charge des sillons triangulaires qui augmentent de l'ordre de 35% la surface de la charge à l'interface avec l'atmosphère du four, réalisant de ce fait un plus grand transfert thermique du four vers la charge.

Les premier et second types de socs à double action sont conçus de telle sorte qu'à chaque passage de la charge, une partie de celle-ci soit retournée, la couche supérieure de la charge en contact avec l'atmosphère du four, au début constituée d'oxydes métalliques ensuite du mélange oxydes métalliques/charbon et finalement d'oxydes métalliques réduits, étant descendue tandis que la couche sous-jacente est remontée.

L'extrémité des socs est conformée de manière à provoquer un retournement de la matière de sorte que le manteau du sillon, partie la plus chaude, se retrouve au coeur de la base du nouveau sillon créé, afin d'assurer une meilleure homogénéisation.

Cette extrémité des socs peut, si on le souhaite, tre refroidie (par une circulation interne d'un liquide réfrigérant par exemple).

La distribution des râteaux dans les différentes zones du four peut se faire de façon linéaire sur la longueur de passage dans une zone du four. Elle se fera de préférence de façon non linéaire et sera dépendante de la température de surface ainsi que du gradient de température dans la charge.

La quantité de charbon se détermine par la quantité stoechiométrique nécessaire pour provoquer la réduction complète des oxydes métalliques présents, diminuée d'une quantité correspondant à l'action réductrice des éléments volatils, et éventuellement majorée d'une quantité nécessaire à la fusion de l'éponge et à l'alliage ultérieur.

Le mélange progressif de la couche d'oxydes métalliques avec la couche sous-jacente dont la température est nécessairement plus élevée dans la zone proche de l'interface oxydes métalliques/charbon que dans les couches plus éloignées, se traduit par les conséquences suivantes : -un plus grand transfert thermique de par une augmentation de la surface à l'interface couche supérieure/atmosphère du four ; -la meilleure conductibilité thermique de la couche d'oxydes métalliques présents au début en une seule

couche dans la partie supérieure de la charge et par après progressivement dans le mélange, contribue à un meilleur transfert thermique que celui des procédés à couches multiples, sans que l'agent réducteur, en l'occurrence le charbon, qui est moins bon conducteur thermique, ne perturbe ce processus ; le mélange progressif des couches constituant la charge permet la réalisation rapide d'une homogénéisation de la température de cette charge ; les oxydes métalliques atteignent très rapidement les températures élevées où leur réactivité est plus forte, ce qui augmente l'efficacité du processus de réduction et diminue la durée opératoire ; les constituants volatils libérés progressivement, générés par le charbon porté progressivement à plus haute température, sont utilisés de manière efficace et immédiate comme agent de réduction ; la réduction à l'aide d'hydrogène se produit immédiatement et est optimalisée, ce qui permet de mettre à profit sa cinétique réactionnelle plus forte que celle du gaz CO ; la réduction par le CO est rendue plus efficace du fait que la couche supérieure plus chaude est progressivement mélangée à la couche directement sous-jacente portée à la température adéquate et non aux couches plus profondes encore trop froides ; en principe, il devient possible de produire moins de dioxyde de carbone par masse unitaire de métal réduit produit ; les trop hautes températures en surface sont évitées, et de la sorte, il n'y a pas production de fayalite ;

-on évite l'apparition en surface de la charge d'une plaque d'oxydes métalliques réduits trop épaisse, résistante, difficile à morceler et difficile à évacuer ; -le four, pour une production identique, sera moins volumineux que celui des autres procédés, par exemple ceux travaillant avec une charge à couches multiples ou une charge à couche unique de pellets, par exemple.

En principe, l'agent réducteur est du charbon avec une teneur élevée en constituants volatils, de préférence avec une teneur supérieure à 25% en constituants volatils.

Le four est généralement maintenu à une température de coupole de l'ordre de 1300 à 1450 °C, de préférence de l'ordre de 1400 °C, par des brûleurs installés dans les parois extérieures du four à sole mobile et avec postcombustion dans la partie côté intérieur de la couronne.

Les mélanges successifs des couches supérieures aux couches sous-jacentes ont pour conséquence que la température maximale atteinte ne dépasse pas 1100 à 1200 OC en surface.

Les techniques employées permettent également d'augmenter l'homogénéisation des charges constituées de pellets, ce qui contribue à une augmentation considérable de l'épaisseur de la charge, à un déroulement opératoire plus rapide et plus efficace, à un encombrement plus réduit du four et à une optimalisation des échanges thermiques.

Brève description des figures L'invention sera décrite en référence à une forme d'exécution préférée de l'invention illustrée dans les dessins annexés.

La figure 1 représente une projection horizontale schématique d'un four rotatif avec une distribution des râteaux dans un four rotatif.

La figure 2 représente une projection verticale d'une coupe du four rotatif.

La figure 3 représente les sillons formés dès le chargement.

La figure 4 représente les sillons résultant de la première action des socs, disposés sur des râteaux fixes, dans la charge.

La figure 5 représente les sillons résultant de la seconde action des socs, disposés sur des râteaux fixes, dans la charge.

La figure 6 représente une vue schématique d'une projection verticale d'une section d'un râteau et d'un soc avec un bras de fixation au râteau.

Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention Le principe de fonctionnement du procédé est illustré à la figure 1.

Dans la figure 1, on illustre en 1 la zone de chargement et en 2 la zone d'évacuation de la sole tournante 3, celle-ci effectuant un mouvement dans le sens anti-horlogique représenté par la flèche 4 autour de l'axe du four 5. Les brûleurs fixés dans la paroi extérieure du four sont représentés par 6, les gaz de combustion sont

extraits par les parois intérieures du four en 7 et envoyés vers les échangeurs thermiques par 8. Les râteaux supportant les socs ont reçu le repère de référence 9, tandis que les injecteurs d'oxygène ont reçu le repère 10.

Dans la figure 2, on a utilisé les mmes repères que dans la figure 1. Le repère 11 désigne la charge.

La figure 3 représente les sillons 12 formés dès le chargement La figure 4 représente le rabotage du sommet 13 des sillons, résultant de la première action des socs.

La figure 5 représente le rabotage 14 des sillons, résultant la seconde action des socs.

La figure 6 illustre une vue schématique d'une projection verticale d'une section d'un râteau 15 avec son isolation thermique extérieure 16 et une chambre de refroidissement intérieure à l'eau 17 ainsi qu'un soc 18 avec un bras de fixation au râteau 19.