Production efficace de fer au four à sole rotative : Réduction directe au charbon non cokéfiable

Production de fer au four à sole rotative

La production de fer au four à sole rotative (RHF) est un procédé de réduction directe qui utilise du charbon non cokéfiable pour la réduction de minerai de fer. Le RHF est le réacteur de procédé qui se compose d'une sole réfractaire plate tournant à l'intérieur d'un four tunnel circulaire stationnaire. À l'intérieur du RHF, la réduction directe de minerai de fer ou de matériaux ferreux de déchets se produit, en utilisant le charbon comme réducteur.

Le RHF n'est pas une nouvelle technologie. Il a été utilisé avec succès dans une gamme d'applications industrielles qui incluent le traitement thermique, la calcination de coke de pétrole, le traitement des déchets, et la récupération de métaux non ferreux à haute température.

L'histoire de la production de fer en RHF remonte au milieu des années 1960 avec le développement du procédé « Heat Fast » par Midrex. Depuis lors, plusieurs procédés de production de fer basés sur le RHF ont été développés. Ceux-ci incluent les procédés « Fastmet »/« Fastmelt » et ITmk3 qui ont été mis en exploitation commerciale. Ces procédés ont été décrits dans des articles séparés ayant les liens https://www.ispatguru.com/fastmet-and-fastmelt-processes-of-ironmaking/, et https://www.ispatguru.com/itmk-3-process-of-making-iron-nuggets/. D'autres procédés RHF sont les procédés « Redsmelt », « Inmetco », « Iron Dynamics », « DRyIron », « Comet » et « SidComet » et le procédé Hi-QIP.

Procédé Redsmelt

La technologie du procédé Redsmelt a été développée pour répondre à la demande croissante d'une alternative de production de fer à faible coût et respectueuse de l'environnement par rapport à la voie traditionnelle du haut fourneau. L'usine avec ce procédé peut être conçue pour une capacité de production de 0,3 à 1,0 million de tonnes par an de fonte. Le procédé peut traiter une large gamme de fines de minerai de fer et de matériaux de déchets de l'usine sidérurgique.

Le procédé Redsmelt est basé sur un RHF qui réduit des pellets verts faits de minerai de fer, de fines de réducteur et de liants pour produire du fer réduit direct (DRI) chaud et métallisé qui est chargé dans un four à arc submergé (SAF). Le procédé opère à haute température et à pression atmosphérique.

L'alimentation en oxyde de fer vers un fourneau Redsmelt est sous forme de pellets verts faits de minerai de fer fin, réducteur et liants. Les liants donnent aux pellets verts une résistance mécanique suffisante pour supporter les chocs de manutention en aval. Les pellets sont criblés sur un crible à rouleaux à une taille entre 8 et 16 mm. Les matériaux sous et sur-dimensionnés sont recirculés pour alimenter les disqueuses à pellets. Les pellets sont ensuite distribués sur le RHF en une couche jusqu'à 30 kg/m². En voyageant à travers le fourneau en 12 à 18 minutes, les pellets sont chauffés jusqu'à 1370 °C. Le séchage des pellets, la dévolatilisation du charbon et la réduction de l'oxyde de fer ont lieu pendant le processus de chauffage. Le contact intime entre l'oxyde de fer et le carbone à une température très élevée résulte en un taux de réaction très rapide. Pour prévenir la réoxydation du fer métallisé, les zones finales du fourneau sont opérées en atmosphère sous-stœchiométrique. Le produit DRI chaud est ensuite alimenté au SAF pour la fusion en fonte et laitier.

La fiche de procédé est montrée schématiquement à la Fig. 1.

Fig. 1 Fiche de procédé du processus Redsmelt

Procédé Inmetco

Le procédé a été développé par la International Nickel Corporation (INCO), Canada en 1978. INCO a développé ce procédé et l'a nommé « Inmetco » (Inco + met) car il a été développé pour le recyclage des déchets métallurgiques. Le procédé peut aussi être utilisé pour réduire les fines de minerai de fer et la combinaison de fines de minerai de fer et de matériaux de déchets métallurgiques.

Le procédé Inmetco est basé sur un RHF qui réduit des briquettes faites de fines de minerai de fer, de matériaux ferreux de déchets et de charbon pulvérisé pour produire du DRI chaud et métallisé qui peut être chargé directement dans un four à induction ou un four à arc électrique. Le procédé opère à haute température et à une pression légèrement négative.

L'alimentation en fer vers un fourneau Inmetco est sous forme de pellets de disque faits de minerai de fer fin sous 250 micromètres de taille et de charbon fin ou coke ou char avec moins de 25 % de matières volatiles. Ils sont distribués sur le RHF en une couche d'environ 3 pellets de profondeur au moyen d'un convoyeur à bande pivotant. Le procédé utilise un liant à action rapide qui permet aux pellets d'être transportés à la sole sans dégradation significative. La sole tourne continuellement et les pellets sont chauffés par des brûleurs situés autour de la périphérie de la sole à 1250 °C à 1300 °C pendant une période de 10 à 15 minutes. Les brûleurs sont disposés en groupes, et forment des zones de chauffage et de réduction. La zone de chauffage fait environ un tiers de la surface de la sole et la zone de réduction environ deux tiers. Les brûleurs sont situés sur les circonférences intérieure et extérieure. Le produit DRI chaud peut soit être collecté dans des conteneurs de transfert purgés à l'N₂, soit alimenté directement au four électrique pour la fusion. Le RHF opère sous une légère pression négative, et est scellé par un joint d'eau.

La fiche de procédé est montrée schématiquement à la Fig. 2.

Fig. 2 Fiche de procédé du processus Inmetco

Procédé Iron Dynamics

Le procédé de production de fer Iron Dynamics (IDI) est basé sur un RHF qui réduit une charge d'oxyde de fer carbonée en solides de fer métallique qui sont chargés dans un SAF pour compléter la réduction et pour fondre et désulfurer le fer réduit. La fusion du DRI permet aussi une séparation de phase du laitier et du fer liquides résultants.

Le procédé IDI est composé de cinq zones de procédé : (i) réception des matières premières, (ii) broyage et préparation du minerai et du réducteur (charbon), (iii) pelletisation, (iv) réduction au four à sole rotative, et (v) fusion au SAF. Après la réception du minerai, il est séché à une teneur en humidité inférieure à 0,5 % en utilisant le gaz de sortie du RHF. Le minerai est aussi enrichi en utilisant des séparateurs magnétiques et des cribles pour réduire la quantité de matériaux de gangue. Il est ensuite broyé à 50 % moins de 200 mailles. Le charbon est convoyé vers les pulvériseurs charbon/pierre fondante pour le dimensionnement à 80 % moins de 200 mailles. Le minerai et le charbon broyés sont intensivement mélangés avec des liants et de l'eau dans un mélangeur et alimentés sur des disqueuses à pellets. Les pellets humides sont séchés à moins de 1 % d'humidité et préchauffés à 150 °C dans un sécheur à grille circulaire. Le chargeur de pellets reçoit les boules vertes séchées et les étale sur la sole du fourneau en couches de 25 à 40 mm d'épaisseur. Le RHF au gaz naturel a huit zones de réaction. La température, le flux de gaz et la composition du gaz sont contrôlés pour fournir les conditions requises dans chaque zone pour chauffer, réduire et protéger correctement les pellets. Le DRI à la décharge du fourneau a environ 85 % de métallisation. Une installation d'additifs introduit fondant, coke, silice ou autres matériaux dans les bacs de transport de DRI pour contrôler la chimie du laitier dans le SAF. Le système d'échappement des gaz élimine la chaleur, la poussière, le dioxyde de soufre et l'oxyde nitreux du gaz de fumée. Un post-combusteur effectue la combustion de tout CO (monoxyde de carbone) restant dans le conduit d'échappement refroidi à l'eau. Le gaz est refroidi et les NOx éliminés dans le refroidisseur primaire. Le gaz d'échappement est utilisé pour préchauffer l'air de combustion et fournir de la chaleur aux sécheurs de minerai, charbon et pellets. Après le sécheur à pellets, le gaz est filtré et les SOx (oxydes de soufre) éliminés avant le rejet à la cheminée. Le DRI et les additifs tombent dans la couche de laitier du SAF par gravité où la fusion a lieu. La métallisation moyenne ici est d'environ 95,8 %. Le laitier est extrait du fourneau dans des pots à laitier et transféré vers une installation de traitement du laitier.

La fiche de procédé est montrée schématiquement à la Fig. 3.

Fig. 3 Fiche de procédé du processus Iron Dynamics

Procédé DRyIron

Le procédé DRyIron a été développé par Maumee Research and Engineering Inc. (MR&E). Le procédé est basé sur un RHF qui réduit des pellets verts/briquettes faits de matériaux d'oxyde de fer de déchets et de charbon non métallurgique pulvérisé pour produire du DRI chaud et métallisé (supérieur à 90 %). Le procédé opère à haute température et pression atmosphérique, présente un temps de résidence court et peut aussi être utilisé pour recycler des matériaux ferreux de déchets.

L'alimentation en oxyde de fer vers un fourneau DRyIron est sous forme de pellets/briquettes verts faits de fines d'oxydes de fer et de charbon ou coke ce qui élimine le pré-séchage des pellets. Sous des conditions théoriques de haute température idéales (environ 1300 °C), l'oxyde de fer réagit avec le carbone fixe pour former du fer métallique dans la briquette avec libération de CO₂. Le ratio théorique de carbone fixe à oxyde de fer est de 1,5:1.

Le procédé DRyIron a été formulé pour produire du fer métallique en utilisant un ratio carbone/oxyde de 6:1, ce qui résulte en l'évolution de CO et CO₂ et laisse un niveau de carbone résiduel d'environ 4 %. La clé de ce procédé est le contrôle du ratio CO/CO₂ pour minimiser la réoxydation, la consommation de carbone et le temps de résidence au fourneau. En voyageant à travers le fourneau, les pellets sont chauffés jusqu'à 1300 °C. Le séchage des pellets, la dévolatilisation du charbon et la réduction de l'oxyde de fer ont lieu pendant le processus de chauffage. Le contact intime entre l'oxydes de fer et le carbone à une température très élevée résulte en un taux de réaction très rapide. Le produit DRI chaud peut ensuite être fourni à l'atelier de fusion d'acier par un certain nombre d'options différentes.

La fiche de procédé est montrée schématiquement à la Fig. 4.

Fig. 4 Fiche de procédé du processus DRyIron

Procédés Comet et SidComet

Le procédé Comet, développé par le Centre de Recherches Métallurgiques (CRM), Belgique est un système à base de charbon qui produit du fer épongieux à partir de fines de minerai et de calcaire dans un four à sole rotative. Le procédé de réduction directe Comet produit du DRI à faible teneur en gangue et en soufre à partir de minerai de fer et de fines de charbon. Une série étendue de tests en laboratoire a démontré la faisabilité et la flexibilité du procédé, qui peut notamment être opéré avec n'importe quel type de charbon, ou autre réducteur solide (incluant lignite et coke breeze) et qui est aussi très bien adapté pour le recyclage de déchets métallurgiques ferreux à substituer (ou mélanger avec) le minerai de fer. Une installation de laboratoire de 100 kg/heure a été mise en service en novembre 1996. Basé sur les résultats réussis obtenus, une usine pilote de 1,5 tonne/heure a été construite à Sidmar, Gand, Belgique. Les résultats de métallisation confirment ceux obtenus de l'unité de laboratoire. Productivité, coût, prix, consommation d'énergie et impact environnemental ont été établis.

Dans le procédé Comet, les fines de minerai de fer et de charbon ne sont pas mélangées et pelletisées contrairement aux autres procédés mentionnés auparavant. Au lieu de cela, elles sont chargées sous forme de couches alternées sur la sole. Le calcaire est généralement ajouté afin de contrôler le soufre dans le charbon. La température dans la zone de réduction est d'environ 1300 °C. Gaz naturel, gaz de cokerie, et charbon pulvérisé, etc. sont tirés pour générer la chaleur. La post-combustion des volatils et du CO libérés pendant la réaction fournit aussi une certaine quantité de chaleur. Les couches de DRI subissent une frittage en raison de la haute température. Cependant, le char en excès reste poudreux et peut donc être facilement séparé en utilisant un crible. Le gaz d'échappement subit une post-combustion supplémentaire hors du fourneau et la chaleur est utilisée pour chauffer l'air de procédé et les matériaux de charge. En raison de la charge plus élevée sur la sole dans ce procédé, le temps de traitement dans ce procédé est généralement beaucoup plus grand que ses homologues qui utilisent des pellets composites.

La fiche de procédé est montrée schématiquement à la Fig. 5.

Fig. 5 Fiche de procédé du processus Comet

Le procédé SidComet est similaire au procédé Comet. La seule différence est que les fines de minerai de fer et de charbon sont alimentées en mélange dans ce cas. Le temps de résidence est similaire au procédé Comet. En raison du temps de résidence plus élevé, la productivité de ce procédé reste généralement plus faible que les procédés basés sur pellets.

Procédé Hi-QIP

Basé sur les concepts : (i) le procédé ne nécessite pas de gaz naturel ou de charbon cokéfiable comme agent réducteur, (ii) le produit en fer du procédé est exempt de composants de gangue, (iii) les équipements sont aussi simples que possible, et (iv) le système de récupération d'énergie est minimal, et des résultats expérimentaux, un nouveau procédé de production de fer appelé le procédé Hi-QIP (High-Quality Iron Pebble) a été développé. Le procédé est un nouveau procédé à base de charbon pour produire du fer de haute qualité. Le procédé est similaire au procédé ITmk3 car il permet la fusion du fer réduit dans le four à sole rotative. Le procédé permet la fluctuation du mélange de matières premières. Le développement a actuellement atteint le stade de l'usine pilote.

Le procédé Hi-QIP a deux caractéristiques distinctives par rapport aux procédés similaires. Ce sont : (i) l'utilisation d'une couche de matériau carbonacé sur la sole rotative, et (ii) la fusion du fer réduit dans le fourneau. Le réacteur principal dans le procédé Hi-QIP est le four à sole rotative. Du minerai de fer à grains grossiers ou fins, du charbon et du calcaire sont utilisés comme matières premières. L'utilisation de matériaux en morceaux n'est pas considérée pour le procédé. Un matériau carbonacé, tel que le charbon, est étalé sur la sole, et de petits creux en forme de tasse sont formés dans cette couche par un rouleau. Le minerai de fer est utilisé comme source de fer, le charbon comme agent réducteur, et le calcaire comme agent fondant. Ces matériaux sont mélangés et chargés sur le lit de matériau carbonacé, et sont ensuite chauffés par des brûleurs. Dans ce procédé, le minerai de fer est réduit et fondu, et le charbon mélangé dans la couche de matière première est gazéifié et agit comme agent réducteur. Le calcaire fond et forme du laitier avec les composants de gangue et de cendres dans le mélange. Le fer fondu et le laitier fondu s'écoulent dans les creux, où ils sont solidifiés par le refroidisseur, formant des granules. Les granules de fer et de laitier sont déchargés du fourneau par un dispositif à vis.

Caractéristiques générales principales de la production de fer en RHF

Le flux de procédé général pendant la production de fer par le RHF est donné à la Fig. 6.

Fig. 6 Flux de procédé général pendant la production de fer en RHF

La réduction d'agglomérés minerai de fer/charbon dans un RHF est un procédé de production de fer sans coke, respectueux de l'environnement. Cependant, la productivité et l'efficacité énergétique du procédé sont faibles en raison de la faible hauteur de lit, des basses températures de réaction, et d'additifs carbonés insuffisants dans les pellets. La cinétique de réduction de l'oxyde de fer dans les agglomérés minerai de fer/charbon est hautement sensible à la température car elle implique des réactions fortement endothermiques. D'un autre côté, une température plus élevée favorise la réoxydation du DRI nouvellement produit par CO₂ et/ou O₂. Dans la pratique actuelle du RHF, la profondeur de lit des agglomérés est faible, seulement 2-3 pellets de haut, et le réducteur solide est faible en matières volatiles. Par conséquent, le flux de gaz qui peut protéger les pellets de la réoxydation est faible et instable. La pratique de maintenir le ratio CO/CO₂ supérieur à 2 résulte en une très faible efficacité énergétique tandis que la basse température de procédé limite la productivité du procédé.

L'utilisation réussie de la technologie RHF pour la réduction directe de matériaux ferreux dépend de la façon dont la technologie de procédé est appliquée à travers une ingénierie de procédé appropriée. Si le RHF est correctement intégré dans le procédé global et la technologie de réduction directe est appliquée correctement, le résultat est un système économe en énergie, respectueux de l'environnement, économique pour produire du fer alternatif de qualité.

Le concept de réduction directe à base de charbon utilisant le RHF est simple. Cependant, la mise en œuvre commerciale du concept n'a pas été facilement réalisée.

Le concept de procédé pour la production de fer en RHF et la comparaison du chargement monocouche avec le chargement multicouche est montré à la Fig. 7.

Fig. 7 Concept de procédé en RHF et comparaison du chargement monocouche avec multicouche

Les réactions suivantes ont lieu pendant la production de fer en RHF :

FeₓOᵧ + y C = x Fe + y CO
FeₓOᵧ + y CO = x Fe + y CO₂
C + O₂ = CO₂
C + CO₂ = 2 CO

Il y a trois à quatre zones majeures à l'intérieur du RHF : (i) zone de préchauffage, (ii) zone de réduction principale, (iii) zone de réduction finale et (iv) zone de refroidissement. L'atmosphère du fourneau est contrôlée pour répondre aux exigences thermiques et métallurgiques du procédé avec un contrôle approprié du ratio combustible/oxygène. Un potentiel d'oxygène plus élevé est requis dans la zone de préchauffage afin d'extraire l'énergie chimique maximale stockée dans le combustible qui est brûlé dans cette zone. L'élimination de l'humidité piégée et des matières volatiles a aussi lieu dans cette zone. Les deux zones de réduction ont un potentiel d'oxygène beaucoup plus faible qui prévient la réoxydation des pellets réduits. Dans les zones de réduction, l'oxyde de fer et certains autres oxydes de métaux d'impuretés sont réduits à leurs formes métalliques. Dans la zone de refroidissement, le DRI est refroidi en dessous de 300 °C avant le déchargement.

En plus de la combustion du combustible, il y a d'autres sources de chaleur à l'intérieur du RHF. La post-combustion du gaz CO généré pendant la réduction aide à réduire l'exigence énergétique du procédé. Parfois, de l'air secondaire est aussi injecté pour faciliter la post-combustion des gaz d'échappement. La combustion des matières volatiles libère aussi de la chaleur. Une quantité mineure de chaleur est aussi générée pendant la combustion du carbone présent dans les pellets/briquettes.

Le charbon non cokéfiable et parfois des matériaux carbonacés de basse qualité incluant le plastique de déchets peuvent être utilisés dans le RHF comme réducteur. L'utilisation de ces réducteurs carbonacés de basse qualité permet au procédé RHF de produire du fer métallique en réduisant l'oxyde de fer. Cependant, le pourcentage de teneur en matières volatiles dans le réducteur carbonacé est très critique pour son utilisation en RHF. L'évolution rapide de gaz augmente la pression interne ce qui peut résulter en la rupture des pellets/briquettes. Cela peut être évité pour maintenir un haut pourcentage de morceaux dans le produit DRI.

La vitesse de rotation de la sole doit être contrôlée externement. La vitesse dépend de la réactivité des matières premières. La pratique normale est d'assurer un temps de résidence assez long pour que les pellets/briquettes atteignent un haut degré de métallisation.

Le RHF est normalement opéré à une faible pression négative afin d'éviter la fuite de gaz de fourneau vers l'environnement extérieur et est scellé en utilisant des joints d'eau.

Il est généralement avantageux d'utiliser la chaleur sensible du DRI chaud en le chargeant à chaud dans un four de fusion. En cas de fusion retardée, la pratique habituelle est de convertir le DRI en fer briqueté à chaud (HBI) pour minimiser le degré de réoxydation en réduisant la surface disponible.

Le transfert de chaleur vers les couches inférieures est l'un des inconvénients sérieux du RHF, surtout quand un lit de pellets multicouche est utilisé au lieu de monocouche pour améliorer la productivité. Le retrait des pellets/briquettes composites est attendu pour faciliter le transfert de chaleur de la couche supérieure vers la inférieure. Le retrait des pellets/briquettes se produit en raison de l'effet combiné des réactions chimiques et du frittage des oxydes de fer. Cela améliore la cinétique de réaction des couches inférieures. Cela dépend à la fois de la température et du temps. Certaines études sur les phénomènes de retrait révèlent que les pellets/briquettes composites au charbon de bois ont un meilleur comportement de retrait que ceux au char de charbon bitumineux et graphite.

Le gaz d'échappement du RHF subit normalement une post-combustion complète en utilisant de l'air additionnel. L'énergie obtenue de ceci est utilisée : (i) pour préchauffer l'air de combustion, (ii) sécher les matériaux d'alimentation, ou (iii) générer de la vapeur dans des chaudières de récupération de chaleur perdue.

La poussière des gaz d'échappement est collectée dans des filtres à manches. Cette poussière contient un haut pourcentage de métaux volatils comme le zinc et le cadmium principalement en raison du recyclage des matériaux de déchets.