FASTMET et FASTMELT : Technologies avancées de réduction du fer pour une production efficace

Le procédé FASTMET est un procédé de réduction du fer basé sur le charbon. Il permet la conversion d'oxydes métalliques provenant soit de fines de minerai de fer, soit de déchets métallurgiques d'usine sidérurgique, en fer métallisé. Le procédé FASTMELT est le procédé FASTMET avec l'ajout d'un « four électrique de fusion du fer » (EIF) pour produire du fer liquide ou de la fonte. Kobe Steel en collaboration avec Midrex Technologies, Inc., une filiale de Kobe Steel aux États-Unis, a développé ce procédé. FASTMET est un procédé unique qui utilise un four à sole tournante (RHF) pour réduire des agglomérés contenant du charbon avec un ratio de réduction élevé et une haute productivité. La Fig. 1 montre une vue en coupe simplifiée et une vue en plan d'un RHF.

Le procédé FASTMET convertit l'alimentation en pelotes de minerai de fer, les fines de minerai de fer et/ou les déchets métallurgiques d'usine sidérurgique en fer réduit direct (DRI) en utilisant du charbon non cokéfiable pulvérisé comme réducteur. Le produit final DRI peut être soit briquetté à chaud pour produire du fer briquetté à chaud (HBI), soit déchargé comme DRI chaud dans des conteneurs de transfert, soit refroidi si du DRI froid est nécessaire. Le DRI chaud est déchargé directement du RHF dans l'EIF et est fondu pour produire de la fonte. La fonte peut être coulée en fonte en gueuse. Le fer réduit / la fonte peut être alimenté dans un fourneau de première fusion de l'acier.

Outre la facilitation du recyclage des déchets métallurgiques vers l'alimentation du convertisseur à oxygène basique / four à arc électrique, il y a deux objectifs majeurs du procédé. L'un est la métallisation plus élevée des oxydes de fer, ce qui réduit la charge sur le processus de fusion. L'autre est un ratio d'élimination du zinc élevé, ce qui réduit la concentration de zinc dans la boucle de recyclage. Pour l'alimentation du haut fourneau, une résistance à la compression élevée est nécessaire, ce qui est également atteint en ajustant le liant et le ratio de mélange des matières premières avec le procédé FASTMET.

Développement historique

La réduction du minerai de fer dans un RHF a été tentée pour la première fois par Midland Ross Co., un précurseur de Midrex Technologies, Inc. Le procédé, appelé « Heat Fast », était unique en ce qu'il impliquait des pelotes composites, consistant en minerai de fer et matériel carboné, qui sont préchauffées dans une grille, pré-réduites dans un RHF et refroidies dans un refroidisseur à shaft. Le procédé « Heat Fast » a été testé avec succès à une usine pilote de 2 tonnes par heure (t/h) à Cooley, Minnesota, de 1965 à 1966.

Simultanément au développement de « Heat Fast », le procédé DRI Midrex basé sur le gaz naturel, qui offrait un produit de qualité supérieure à « Heat Fast » et des coûts d'exploitation plus bas (le gaz naturel était très bon marché à cette époque) était également en développement. En raison des coûts d'exploitation alors bas du procédé au gaz naturel, les travaux sur le procédé « Heat Fast » ont été arrêtés et le développement commercial n'a jamais été entrepris.

Midrex a ravivé son intérêt pour l'utilisation du RHF pour la réduction directe au début des années 1980. Plusieurs études ont été menées qui indiquaient qu'un procédé basé sur RHF pourrait être développé pour produire du fer réduit direct à un prix attractif. Dans les années 1990, le prix du gaz naturel a augmenté et ensuite une usine pilote FASTMET a été construite et mise en service au centre technique de Midrex avec un RHF de 2,75 m de diamètre ayant une capacité de production de 160 kg/h. Plus de 100 campagnes ont été menées de 1992 à 1994.

Kobe Steel et Midrex Technologies, Inc. ont collaboré pour redémarrer le développement d'un procédé basé sur le charbon RHF dans le but de commercialiser la technologie. En s'appuyant sur les travaux de l'usine pilote « Heat Fast » remontant aux années 1960, des améliorations ont été apportées à la technologie qui ont abouti à une productivité plus élevée, une meilleure qualité de produit, une plus grande flexibilité du processus et une efficacité de processus accrue. Le résultat final a été le développement du procédé FASTMET. Kobe Steel et Midrex ont poussé le procédé FASTMET une étape plus loin en développant le procédé FASTMELT qui nécessite le déchargement à chaud du DRI du RHF et le chargement par gravité dans un EIF, un four de fusion spécialement conçu pour fondre le DRI chaud FASTMET afin de produire de la fonte.

Une usine pilote de démonstration a été construite en 1995 aux travaux de Kakogawa de Kobe Steel Limited (KSL). L'usine avait un RHF de 8,5 m de diamètre et une capacité de production de 2,5 t/h. L'usine a fonctionné en continu de 1995 à 1998. À travers diverses opérations de démonstration menées là-bas, Kobe Steel et Midrex Technologies, Inc. avaient établi le procédé FASTMET pour la commercialisation. En 2000, une première usine commerciale FASTMET a été fournie aux travaux de Hirohata de Nippon Steel Company (NSC) pour réduire 190 000 tonnes par an (t/an) de déchets d'usine sidérurgique. Le procédé FASTMET a été reconnu pour sa capacité à recycler efficacement les poussières de ferronnerie. Les détails des cinq premières usines qui ont été mises en service sont donnés dans le Tableau 1.

Tableau 1 : Usines commerciales FASTMET
	Unité	NSC Hirohata n°1	NSC Hirohata n°2	NSC Hirohata n°3	JFE Steel, Fukuyama	KSL Kakogawa
Débit d'alimentation RHF	t/an	190 000	190 000	190 000	190 000	16 000
Matières premières		Poussières de convertisseur	Poussières de convertisseur	Poussières de convertisseur	Poussières de HF, poussières de convertisseur	Poussières de HF, poussières de convertisseur, poussières de four à arc
Application du produit		Alimentation convertisseur, DRI	Alimentation convertisseur, DRI	Alimentation convertisseur, HBI	Alimentation convertisseur, DRI	Alimentation HF & convertisseur, DRI
Diamètre extérieur RHF	m	21,5	21,5	21,5	27	8,5
Date de mise en service		Avril 2000	Janvier 2005	Décembre 2008	Avril 2009	Avril 2001

On peut voir que ce procédé est actuellement utilisé pour l'utilisation des déchets métallurgiques de l'usine sidérurgique. Outre les déchets métallurgiques, le procédé peut également utiliser des fines de minerai de fer ayant une taille égale à la taille d'alimentation en pelotes (inférieure à 45 micromètres). C'est parce que le procédé a des étapes d'agglomération intégrées. Le procédé FASTMET/FASTMELT présente une voie alternative pour la réduction du fer dans des capacités allant de 100 000 t/an à 500 000 t/an. Le procédé FASTMELT offre une alternative pour la technologie de mini haut fourneau (HF). Les réfractaires utilisés dans le RHF et l'EIF sont de spécification standard normalement utilisée dans la réduction du fer. La conception de l'EIF est basée sur des conceptions éprouvées de technologies EAF (four à arc électrique) et LF (four à poche).

Caractéristiques du procédé FASTMET

Le procédé FASTMET est clairement différent du procédé de réduction basé sur le gaz utilisant du gaz reformé produit à partir de gaz naturel, en ce qu'il chauffe et réduit des agglomérés composites, chacun consistant en minerai de fer, ou déchets métallurgiques d'usine sidérurgique, et charbon. Ce procédé simple et unique impliquant un chauffage rapide accomplit une réaction de réduction rapide. Les agglomérés sont placés en une ou deux couches uniformes sur la sole et sont chauffés par rayonnement thermique. Cela empêche l'oxydation des agglomérés, malgré la condition dans le fourneau de gaz d'échappement de combustion, qui a un potentiel d'oxydation considérable.

Le procédé peut réaliser le chauffage et la réduction des agglomérés simultanément et efficacement à un rapport air/gaz idéal dans le RHF. De plus, le gaz combustible généré à partir du carbone dans les agglomérés brûle en combustion secondaire au-dessus d'eux. Cela supprime considérablement l'émission de NOx, malgré le fait que le RHF est un fourneau qui a un environnement à haute température. C'est une autre caractéristique du procédé FASTMET.

Alors que la sole du RHF tourne, les pelotes ou briquettes passent à travers trois zones et sont rapidement chauffées. Chaque zone a trois brûleurs à gaz, dont le rapport air/carburant peut être ajusté pour atteindre la combustion pauvre ou riche désirée dans chaque zone. À la fin de la zone 3, le matériau passe sous un mur de séparation qui sépare la zone de feu finale de la zone de décharge. Une vis sans fin transporte le produit DRI chaud hors de la sole dans une goulotte de dérivation et puis par gravité dans un conteneur de produit DRI purgé à l'azote ou dans un EIF.

Un échangeur de chaleur installé sur l'équipement de traitement des gaz d'échappement convertit l'énergie contenue dans le gaz d'échappement à haute température en énergie pour chauffer l'air qui est utilisé soit pour la combustion, soit pour le séchage des matières premières. Cela réduit la consommation d'énergie globale.

Les matières premières telles que les poussières d'usine sidérurgique peuvent occasionnellement générer des dioxines lorsqu'elles brûlent. Dans le procédé FASTMET, cependant, la température du RHF est de 1 300 °C ou plus, ce qui est assez élevé pour supprimer la génération de dioxines. Le gaz d'échappement du RHF est refroidi rapidement à travers la région de température dans laquelle les dioxines peuvent se recombiner, les empêchant ainsi de se recomposer. La Fig. 2 montre une feuille de flux typique du procédé FASTMET / FASTMELT.

Le gaz chaud sortant du RHF est refroidi au moyen d'un refroidisseur évaporatif avant d'entrer dans un échangeur de chaleur. La chaleur sensible dans le gaz d'échappement est utilisée pour préchauffer l'air de combustion du RHF et l'air du sécheur de boules vertes à environ 350 °C. Le gaz d'échappement quittant le préchauffeur est encore refroidi par un second refroidisseur évaporatif avant d'entrer dans un filtre à manches, où l'oxyde de zinc est récupéré et envoyé au silo à poussière pour stockage. Un ventilateur à tirage induit est positionné sur la sortie du filtre à manches pour obtenir la chute de pression requise pour le système de gaz d'échappement et contrôler le RHF sous une pression légèrement négative.

Les utilités nécessaires sont : air d'usine, azote, vapeur, air instrument, eau d'appoint et gaz naturel liquéfié. L'usine a aussi besoin d'un circuit d'eau de processus en recirculation ouverte ainsi que d'un circuit d'eau de refroidissement de machinerie fermé.

Le DRI chaud, déchargé hors du RHF, a trois options de décharge : (i) refroidi pour produire du DRI froid, (ii) briquetté dans une machine à briquettes pour produire du HBI, (iii) fondu dans un EIF pour produire du fer liquide. Ce fer liquide peut être coulé dans une machine à coulée de gueuses pour produire de la fonte en gueuses.

Le DRI a de nombreux pores laissés après le processus de réduction. S'il est exposé à l'air pendant longtemps, le fer métallique se réoxyde en oxyde de fer, détériorant sa qualité. Si le DRI n'est pas utilisé immédiatement comme matière première pour un fourneau de fusion ou un haut fourneau, le compactage et la densification du DRI en fer briquetté à chaud (HBI) empêchent la réoxydation. Cela permet le stockage de fer réduit pendant une période prolongée sans dégradation de la qualité. Le HBI stocké peut être alimenté dans un fourneau de première fusion de l'acier ou dans un haut fourneau. Que le fer réduit produit par le procédé FASTMET soit utilisé comme DRI sous forme de pelotes/briquettes ou soit formé en HBI en utilisant l'équipement HBI dépend de l'application du produit (source de fer) et de sa période de stockage.

Les déchets métallurgiques (poussières) générés dans l'usine sidérurgique ont conventionnellement été pelotés ou sinterisés en interne pour recycler la poussière comme matière première pour les hauts fourneaux. La matière première du haut fourneau, cependant, contient des composants volatils, particulièrement le zinc, qui se vaporise dans la zone de haute température du haut fourneau. Cependant, toute la vapeur ne s'échappe pas du haut fourneau. Une partie de la vapeur est refroidie et piégée par les matériaux nouvellement chargés, reste dans le fourneau. Les composants volatils accumulés diminuent la perméabilité du haut fourneau et altèrent considérablement sa productivité.

Le procédé FASTMET vaporise les métaux lourds tels que le zinc et le plomb, qui avaient inhibé le recyclage de la ferraille, et les convertit en oxyde de zinc brut et similaires. Cela permet le déchargement de ces éléments dans les lignes d'échappement sans les faire circuler dans le processus. Les installations de traitement des gaz d'échappement sont équipées d'un système de refroidissement et de collecte de poussière, qui, combiné avec le refroidissement par air et par eau, empêche les composants volatils d'adhérer aux parois de l'équipement. Cela permet un fonctionnement stable et continu pendant une période prolongée et la collecte d'oxyde de zinc brut et similaires, en utilisant un filtre à manches. L'oxyde de zinc brut collecté est une ressource précieuse et est recyclé avec le fer réduit.

Le procédé et les réactions principales

Le procédé FASTMET commence par le mélange de fines de minerai de fer ou de déchets métallurgiques d'usine sidérurgique (contenant un pourcentage élevé d'oxyde de fer) avec du charbon pulvérisé, l'agglomération du mélange en pelotes ou briquettes en utilisant une peloteuse ou une briqueteuse, le séchage des agglomérés dans un sécheur, et le placement des agglomérés sur la sole d'un RHF en une ou deux couches uniformes.

Les pelotes ou les briquettes doivent être isolées de l'air lorsqu'elles entrent dans le fourneau. Leur débit d'alimentation est contrôlé avec précision en même temps. Le procédé FASTMET contient un système de tuyaux d'alimentation permettant l'ajustement du nombre de tuyaux selon la taille du fourneau, réalisant ainsi simultanément l'isolement de l'air et le contrôle du volume. Un système de nivellement à vis est adopté pour placer les agglomérés en une ou deux couches uniformes.

Alors que la sole tourne, les briquettes sont chauffées par rayonnement depuis les températures de zone du RHF de plus de 1 300 °C et les oxydes de fer sont réduits en fer métallique. La réduction de l'oxyde de fer est accomplie principalement par du carbone élémentaire fixe réagissant avec la magnétite (Fe₃O₄) ou l'hématite (Fe₂O₃) pour former du fer métallique (Fe) et de la wüstite sous forme solide tout en dégageant du monoxyde de carbone (CO) et du dioxyde de carbone (CO₂) gazeux. Une partie du carbone va en solution solide avec le fer métallique pour former du carbure de fer (Fe₃C).

L'oxyde de zinc, l'oxyde de plomb et d'autres oxydes métalliques volatils contenus dans l'alimentation en déchets métallurgiques sont également réduits sous forme métallique et vaporisés. Ces vapeurs métalliques sont réoxydées dans le gaz d'échappement avant de quitter le fourneau par la prise de sortie.

Une méthode de chauffage rapide, une technologie propriétaire de Kobe Steel, est adoptée pour chauffer les pelotes ou briquettes qui sont posées sur la sole, atteignant rapidement une haute température de 1 350 °C. Ce chauffage génère la réaction des oxydes et du carbone. En résidant pendant 8 à 16 minutes, les agglomérés sont convertis en DRI, qui est déchargé hors du fourneau ou fourni au processus en aval, à une température de 1 000 °C à 1 200 °C. Les différentes réactions qui ont lieu entre les oxydes et le carbone sont : (i) Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO, (ii) Fe₃O₄ + 4C = 3Fe + 4CO, (iii) Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂, (iv) Fe₃O₄ + 4CO = 3Fe + 4CO₂, (v) FeO + CO = Fe + CO₂, et (vi) ZnO + CO = Zn + CO₂.

Le gaz de combustion (gaz CO) émis des pelotes/briquettes en résultat de la réaction de réduction peut être utilisé comme combustible pour le RHF, ce qui diminue considérablement la quantité de combustible fournie au brûleur.

L'atmosphère dans l'EIF du procédé FASTMELT consiste essentiellement en gaz CO et est donc hautement réductrice. Cette atmosphère réductrice favorise la réduction du silicium et l'élimination du soufre.

Le déchargement stable et continu de DRI hors du RHF à haute température est réalisé par une telle technologie propriétaire de KSL que l'élévation de la sole d'un four de réduction. Contrairement à un haut fourneau, le FASTMET peut démarrer et arrêter l'opération avec une relative aisance selon la quantité de production, ce qui permet une production en réponse à la demande.

Mécanisme de réduction

La cinétique de la réaction de réduction dans un four de réduction directe est normalement contrôlée par la diffusion du gaz de réduction depuis l'extérieur. Dans le procédé FASTMET, la réaction de réduction se produit à l'intérieur des pelotes/briquettes composites en carbone faites de fines de minerai de fer et de charbon pulvérisé. Une fois les pelotes/briquettes composites chauffées, le gaz CO à l'intérieur d'elles favorise la réduction de l'oxyde de fer. Donc la réaction de réduction se déroule plus rapidement dans les pelotes/briquettes composites en carbone que la réaction de réduction se produisant dans le procédé de réduction directe conventionnel. Les réactions de réduction de base considérées comme se produisant pendant le procédé FASTMET sont : (i) FeₓOᵧ + yC = xFe + yCO (réaction endothermique), (ii) CO₂ + C = 2CO (réaction endothermique), et (iii) FeₓOᵧ + yCO = xFe + yCO₂ (réaction exothermique).

À des températures inférieures au point de fusion du fer, il y a à peine de réaction directe avec le carbone solide du charbon pulvérisé et donc la réaction comme donnée dans l'équation (i) domine la cinétique de réaction. À des températures plus élevées de 1 000 °C et plus, la réaction de génération de gaz CO par perte de carbone en solution selon l'équation (ii) et la réaction de l'oxyde de fer par gaz CO selon l'équation (iii) ont lieu en série à l'intérieur des pelotes/briquettes composites en carbone. Dans ces réactions, la génération de gaz CO contrôle la cinétique de réaction avec sa nature hautement endothermique. Donc pour favoriser la réaction, il est nécessaire de fournir la chaleur nécessaire pour la réaction à l'intérieur de la pelote/briquette composite en carbone à la température plus élevée de 1 000 °C ou plus. Cela signifie que la chaleur doit être transférée efficacement par rayonnement de l'atmosphère à la surface de la pelote/briquette, et par conduction de la surface de la pelote/briquette à son intérieur. La Fig. 3 montre le mécanisme de réduction des pelotes/briquettes composites en carbone.

Dans le RHF, les pelotes/briquettes sont normalement chauffées avec des températures de zone de plus de 1 300 °C et sont réduites en fer métallique. Le temps de résidence sur la sole est typiquement de 8 à 16 minutes. Cela varie selon le matériau traité, la taille des pelotes/briquettes et d'autres facteurs. Le taux de réduction rapide atteint dans le procédé FASTMET est dû à la haute température de réduction, au haut taux de transfert de chaleur, et au contact intime du carbone contenu à l'intérieur des briquettes avec l'oxyde de fer. Le transfert de chaleur et les différentes réactions de réduction qui ont lieu dans le RHF sont schématiquement montrés à la Fig. 4.

Produit

Le produit final du procédé FASTMET/FASTMELT peut être du HBI, du DRI chaud déchargé directement dans des conteneurs de transfert, du DRI froid, ou du fer liquide (fonte). La métallisation atteinte pendant le procédé est supérieure à 85 %. La température de la fonte produite par le procédé FASTMELT varie de 1 450 °C à 1 550 °C et elle a la composition typique de : carbone – 3 % à 5 %, silicium – 0,3 % à 0,6 %, manganèse – 0,6 % à 1,2 %, soufre – moins de 0,05 %, et phosphore – moins de 0,03 %.

Traitement des gaz d'échappement et contrôle environnemental

Le gaz d'échappement quittant le RHF est complètement brûlé, contenant environ 2 % d'oxygène. Les échangeurs de chaleur utilisent l'énergie thermique dans le gaz d'échappement pour préchauffer l'air de combustion pour les brûleurs du RHF et les sécheurs de préparation des matières premières. Le gaz d'échappement quitte le four à sole tournante par le toit et s'écoule à travers une prise de sortie revêtue de réfractaire vers le conduit de gaz d'échappement. La localisation appropriée de la prise de sortie de gaz d'échappement par rapport aux zones de combustion du RHF est déterminée par l'analyse des matériaux d'alimentation, la cinétique de réduction, et vérifiée par la « Dynamique des fluides computationnelle ». De l'air de dilution est injecté dans le conduit de gaz d'échappement pour fournir le refroidissement et brûler les combustibles restants (hydrogène et CO) dans le flux de gaz d'échappement.

De l'eau pulvérisée est ajoutée au refroidisseur primaire pour refroidir le gaz de plus de 1 400 °C à 1 000 °C pour minimiser la formation de NOx et fournir une température d'entrée acceptable pour le récupérateur. Du refroidisseur primaire, le gaz d'échappement s'écoule à travers le préchauffeur d'air de combustion et d'air de sécheur où la chaleur du gaz d'échappement est utilisée pour chauffer l'air de combustion pour les brûleurs à sole tournante et le sécheur rotatif. Le gaz d'échappement sort du préchauffeur de combustion vers le refroidisseur secondaire. De l'eau pulvérisée est ajoutée au refroidisseur secondaire pour refroidir le gaz d'environ 800 °C à 120 °C pour fournir une température d'entrée acceptable pour le système de filtre à manches. Le gaz d'échappement s'écoule ensuite vers une maison de filtres à manches à jet de tissu où l'oxyde de zinc brut est collecté et puis vers un ventilateur ID où il est déchargé à travers une cheminée vers l'atmosphère.

Le contrôle du SO₂ n'est normalement pas nécessaire dans le procédé FASTMET puisque la plupart du SO₂ réagit avec et est absorbé par les oxydes métalliques dans le flux de gaz de fumée. L'injection de chaux peut être utilisée pour contrôler davantage le SO₂. Les NOx sont contrôlés par l'utilisation de brûleurs à faible NOx et un contrôle opérationnel étroit du rapport air/carburant et des températures de combustion. Les dioxines et furanes sont détruites par les hautes températures et le long temps de résidence dans le RHF. Le taux de refroidissement du gaz de fumée est contrôlé pour minimiser la reformation des dioxines et furanes. Les particules sont éliminées du gaz de fumée par un système de filtre à manches. L'oxyde de zinc brut est collecté par le système de filtre à manches et stocké dans un silo.

Le procédé FASTMET est un procédé respectueux de l'environnement. L'émission de CO₂ du procédé FASTMELT est d'environ 1,6 tonnes par tonne de fonte (t/t HM) contre environ 2,1 t/t HM d'émission de CO₂ dans le cas de mini haut fourneau. L'émission de NOx est dans la gamme de 0,3 kg par tonne de fonte (kg/t HM) à 1,5 kg/t HM et celle de l'émission de SOx est d'environ 2,4 kg/t HM.

Bénéfices du procédé FASTMET

Le procédé FASTMET fournit une autre option pour la gestion des déchets métallurgiques d'usine sidérurgique. Une usine FASTMET située dans une usine sidérurgique peut traiter la poussière et produire deux produits primaires : DRI pour réinjecter dans le fourneau de première fusion de l'acier, et oxyde de zinc brut pour vente aux transformateurs de zinc. Cela transforme un passif en actif. Le coût élevé d'élimination est éliminé et une source peu coûteuse d'unités de fer devient disponible.

Les bénéfices du procédé incluent : (i) très faible génération de fines dans le procédé résultant en une teneur en zinc élevée et une teneur en fer très faible de la poussière secondaire, (ii) haute métallisation et haute élimination du zinc rendent le produit de fer réduit recyclable vers le fourneau de première fusion de l'acier, (iii) aucun déchet n'est généré pour l'élimination, (iv) le traitement à haute température décompose les dioxines, et (v) la poussière de zinc peut être traitée économiquement et devient un produit, pas un déchet.