Procédé Romelt : Fusion-réduction efficace pour la production de fonte liquide

Procédé Romelt pour la production de fonte

Le procédé Romelt pour la production de fonte est un procédé de fusion-réduction pour la production de fonte liquide (metal chaud). Il a été développé par l'Université nationale des sciences et technologies « MISiS », Russie (anciennement Institut de l'acier et des alliages de Moscou). Les travaux de développement ont débuté en 1978, lorsqu'un groupe de scientifiques du MISiS dirigé par Vladimir Roments a commencé à travailler sur la conception de ce procédé. Le premier brevet en Russie a été obtenu en 1979.

Une usine pilote de production, d'une surface de sole de 20 m² et d'une capacité de 40 000 tonnes de fonte par an, a été mise en service en 1985 aux Aciéries de Novolipetsk (NLMK). L'usine pilote a été conçue par Moscow Gipromez. La conception du fourneau fiable de Vanyukov a servi de prototype pour cette nouvelle méthode de production de fonte. Le procédé a été testé et maîtrisé sur cette usine pilote entre 1985 et 1998. Au cours de cette période, quarante et une campagnes ont été menées, chacune incluant démarrage et arrêt, avec écoulement complet de la fonte et du laitier. Plus de 40 000 tonnes de fonte ont été produites et utilisées ensuite en convertisseur basique à oxygène (BOF) pour la fabrication d'acier.

Première usine industrielle

La première usine industrielle de production de fonte basée sur la technologie Romelt est en construction au Myanmar. L'usine a été conçue par Leningrad Gipromez et fournie par Tyazpromexport, filiale de Rostec. Sa capacité est de 200 000 tonnes/an, basée sur le traitement de minerai de fer sans enrichment du gisement de Pang Pet (teneur en Fe jusqu'à 29 %). L'usine utilisera du charbon non cokéfiable du gisement de Kye Thee. La vue panoramique de l'usine Romelt au Myanmar est à la figure 1.

Figure 1 : Vue panoramique de l'usine Romelt au Myanmar

Matières premières et caractéristiques spéciales du procédé

L'alimentation en oxydes de fer d'un procédé Romelt peut être tout matériau contenant du fer : fines de minerai et concentrés, poussières et boues de haut-fourneau et BOF, calamine, scories ferreuses, déchets de décapage et copeaux, poussières de fer, etc. Des charbons non cokéfiables humides avec 15-20 % de matières volatiles et 8-10 % de cendres peuvent être utilisés. Les alimentations solides (charbon, oxydes de fer, flux) sont chargées par gravité dans le fourneau.

Les caractéristiques spéciales du procédé Romelt incluent : (i) flexibilité pour utiliser une large gamme de matériaux ferreux, (ii) aucune préparation nécessaire des matières premières, (iii) utilisation de charbon non cokéfiable comme combustible et réducteur, (iv) pas d'unités de support comme cokéfaction et agglomération requises, (v) capacité à générer suffisamment d'énergie pour couvrir les besoins globaux de l'usine y compris l'usine à oxygène, (vi) réduction du coût de la fonte par rapport à la voie haut-fourneau, et (vii) utilisable pour le traitement de déchets, réduisant encore le coût de la fonte.

Principe du procédé

Le procédé Romelt est un procédé de réduction de fer en phase liquide à un seul étage. Les matériaux ferreux sont alimentés dans le bain de laitier par gravité et agités par gaz. Ils se dissolvent dans le laitier. Les oxydes de fer sont réduits à partir du laitier avec l'aide du carbone du charbon, également alimenté par gravité et soufflé dans le bain. Afin d'intensifier les transferts de chaleur et de masse, on effectue un bullage du bain de laitier avec un gaz oxydant injecté sous la surface du laitier. Des gaz contenant CO et H₂ s'échappent du laitier fondu. Le gaz évolué est brûlé au sommet. La chaleur de cette post-combustion fournit principalement l'énergie thermique pour les réactions dans le bain de laitier. Un élément clé pour un procédé efficace est le transfert de chaleur actif entre la zone de post-combustion et le bain de laitier.

Description du procédé

Le procédé Romelt utilise une technologie de fusion-réduction à un seul étage pour la production de fonte. Il utilise du charbon non cokéfiable pour la réduction des oxydes de fer des minerais et matériaux de déchets. Le schéma du procédé est montré à la figure 2.

Figure 2 : Schéma du procédé Romelt

Les matériaux ferreux, le charbon et le flux sont alimentés, via des trémies peseuses, depuis les silos correspondants vers un convoyeur commun. Le chargement dans le fourneau se fait par une ouverture dans le toit. Un mélange préalable des matériaux de charge n'est pas requis car ceux-ci, après chargement, vont directement dans le bain de laitier grâce à son agitation intensive. Les dispositifs de sas, utilisés dans les unités d'autres procédés fonctionnant sous pression, ne sont pas nécessaires dans le fourneau Romelt. L'espace de travail du fourneau Romelt est sous dépression de 1 à 5 mm de colonne d'eau, assurée par un ventilateur d'aspiration. La vue schématique du fourneau de fusion Romelt est montrée à la figure 3.

Figure 3 : Vue schématique du fourneau Romelt

Le bain de laitier liquide est soufflé avec de l'oxygène ou un mélange oxygène-air à travers les tuyères inférieures situées sous la couche de laitier. Les tuyères ont une structure simple et sont fiables. Elles assurent l'agitation requise du bain de laitier. Le charbon non cokéfiable présent dans le laitier liquide agité réduit les oxydes de fer présents dans la charge. La fonte produite par la réduction des oxydes de fer s'enrichit en carbone. Les gouttelettes de fonte se déplacent vers la sole du fourneau sous l'effet de la gravité.

Il existe trois zones dans le fourneau de fusion : (1) zone de laitier agité, où toutes les réactions ont lieu, (2) fond de la sole où la fonte produite s'accumule, (3) zone de laitier calme située entre la première et la seconde zone. Les zones 2 et 3 doivent avoir des capacités suffisantes pour accueillir la fonte et le laitier produits.

Deux chambres revêtues (cuvettes) sont situées de chaque côté du fourneau. Elles servent au soutirage séparé de la fonte et du laitier liquide. Les cuvettes sont reliées à l'espace de travail par des canaux de hauteurs différentes, assurant le transport séparé de la fonte et du laitier vers les cuvettes respectives. Des gueulées de soutirage pour la fonte et le laitier, situées à des hauteurs différentes, assurent un soutirage continu et libre des produits liquides à la vitesse correspondant à la capacité du fourneau.

Dans le bain de laitier, la chaleur nécessaire pour la fusion et la réduction des matériaux de charge est supérieure à la chaleur disponible par la combustion du carbone du charbon non cokéfiable en CO près des tuyères inférieures. Ainsi, la caractéristique principale du procédé est la post-combustion du CO, H₂ et des matières volatiles du charbon s'échappant du bain, par l'oxygène soufflé par les tuyères supérieures. La post-combustion des gaz en CO₂ et H₂O fournit la chaleur supplémentaire nécessaire dans le bain de laitier pour maintenir le traitement des matières premières.

La sole et la partie inférieure du fourneau, contenant en permanence la fonte et le laitier calme, sont revêtues de briques réfractaires. Dans cette zone, le revêtement est sous des conditions favorables : température adaptée et atmosphère non oxydante. Dans la zone de laitier agité, les parois sont constituées de panneaux refroidis à l'eau en cuivre. La formation d'une croûte de laitier (scull) sur eux réduit les pertes de chaleur et élimine la possibilité de leur usure. Cela évite aussi l'usure du revêtement aux endroits de l'attaque la plus agressive de l'émulsion gaz-laitier-métal. Au-dessus du bain de laitier, les parois sont en panneaux refroidis à l'eau en acier. Le toit du fourneau est également refroidi à l'eau.

Après la post-combustion, les gaz à température jusqu'à 1700 °C traversent le tuyau d'échappement refroidi à l'eau vers la chaudière de récupération de chaleur. Là, les gaz sont complètement brûlés avec apport d'air naturel et refroidis à 250-300 °C. Une fois l'énergie récupérée et le gaz refroidi, il est nettoyé dans le système de nettoyage des gaz et désulfuré avant d'être évacué dans l'atmosphère par la cheminée. La génération de poussières de fourneau mesurée dans le tuyau d'échappement est d'environ 3 % en moyenne du poids des matériaux chargés.

Comportement du charbon dans le bain de laitier

Quel que soit le mécanisme de réduction, le charbon est la seule source de réducteur dans le procédé. Il n'y a pas de limitations principales sur la gamme de charbons utilisables dans des conditions normales. N'importe quel charbon avec différentes teneurs en carbone fixe, cendres et matières volatiles peut être utilisé comme réducteur. Cependant, les consommations spécifiques de charbon et d'oxygène dépendent fortement de la composition du charbon utilisé.

Le charbon humide non préparé dans le procédé Romelt tombe d'en haut dans le bain de laitier. Les matières volatiles se forment dans le bain et ont une influence stimulante sur le déroulement du procédé. Le bilan matière et le bilan thermique dépendent de la manière et de la forme sous lesquelles les matières volatiles se forment et du rôle qu'elles jouent dans le processus principal. C'est pourquoi le comportement des matières volatiles du charbon est l'un des points les plus critiques du procédé Romelt, quel que soit le grade de charbon utilisé.

Le taux de charbon dans le procédé Romelt se compose de deux parties : (i) charbon nécessaire pour réagir avec l'oxygène injecté aux tuyères inférieures pour produire du CO, et (ii) charbon nécessaire pour la réduction des oxydes. Un déficit de charbon peut augmenter le potentiel oxydant du bain de laitier, conduisant à son bullage incontrôlé. Cependant, un excès de charbon, en plus d'augmenter le coût de production, détériore les conditions thermiques à l'intérieur du fourneau Romelt.

Il apparaît généralement que la quantité de charbon requise ne dépend que de la teneur en carbone fixe. Cependant, dans le fourneau Romelt, les matières volatiles participent aussi partiellement aux processus dans le bain de laitier liquide. H₂, CO et N₂ des matières volatiles ne subissent pas de changements dans le bain car ces gaz s'échappent du charbon pour former la phase gazeuse. En revanche, CH₄ et CO₂ des matières volatiles participent aux réactions chimiques selon les équations : CH₄ = C + 2H₂ et CO₂ + C = 2CO. Si la quantité de CO₂ est faible et celle de méthane (CH₄) substantielle, ces transformations chimiques conduisent à une quantité additionnelle de carbone pour la réduction des oxydes. Le carbone produit par la décomposition du méthane est finement dispersé et hautement actif, améliorant la cinétique des réactions de réduction.

Dans le procédé Romelt, on utilise du charbon humide avec une teneur en humidité d'environ 10-12 %. Dans le fourneau, cette humidité s'évapore et se décompose partiellement selon l'équation : H₂O + C = CO + H₂. Cela nécessite du carbone additionnel pour la réaction de décomposition de l'eau produisant du gaz d'eau (CO + H₂).

Les trois réactions — décomposition du méthane, réduction du CO₂ en CO, et décomposition de l'eau — ont lieu simultanément dans le bain de laitier.

Aspects chimiques et métallurgiques du procédé

La majeure partie du processus de réduction a lieu dans la zone de laitier agité. De l'oxygène ou un mélange oxygène-air est soufflé par les tuyères inférieures pour produire un bain hautement agité. L'alimentation en matières premières tombe dans le laitier agité où se produisent la fusion et la réduction. Le bain de laitier est maintenu autour de 1400-1500 °C. Le charbon non cokéfiable agit à la fois comme réducteur et source de combustible dans cette zone. Les réactions suivantes se produisent dans la zone de laitier agité :

• Réduction des oxydes de fer : x C + FeOₓ = x CO + Fe
• Gazéification du carbone : 2 C + O₂ = 2CO
• Craquage des matières volatiles du charbon : 2 CₓHᵧ = 2x C + y H₂
• Réduction de l'eau : H₂O + C = CO + H₂

Le fer réduit forme de petites gouttelettes qui coalescent et se séparent du laitier pour aller vers la sole du fourneau sous la zone de laitier calme, en raison de leur densité plus élevée. L'interaction entre le métal et le laitier dans les zones de laitier agité et calme permet au métal d'être affiné par la répartition des éléments mineurs entre les phases.

Les gaz générés dans le bain, principalement CO et H₂, entrent dans la zone de combustion. Ici, ils réagissent avec l'oxygène soufflé par les tuyères supérieures et libèrent de l'énergie utilisée pour les réactions de fusion. Les réactions dans la zone de combustion sont :

• Post-combustion : CO + O₂ = CO₂ et 2 H₂ + O₂ = 2 H₂O
• Combustion des matières volatiles du charbon : 4 CₓHᵧ + (4x+y) O₂ = 4x CO₂ + 2y H₂O

L'énergie libérée par les réactions de combustion est transférée de retour au bain. Le transfert de chaleur est renforcé par le haut degré de turbulence généré dans le bain de laitier par les tuyères inférieures. Le gaz de sortie n'est que partiellement brûlé dans le fourneau, ce qui permet une récupération d'énergie supplémentaire dans une chaudière de récupération de chaleur conventionnelle.

Le procédé Romelt étant basé principalement sur la réduction en phase liquide du fer, il présente un meilleur équilibre des aspects chimiques et énergétiques des deux stades de réduction : phase solide et phase liquide. Dans le procédé Romelt, une grande partie du chauffage et de la réduction est transférée au stade de phase liquide.

La réduction du fer à partir de ses oxydes dans le laitier est effectuée par les particules de charbon et par le carbone dissous dans les inclusions métalliques dans le laitier. Il y a deux façons indiquant l'implication du charbon dans la réduction des oxydes de fer dans le fourneau :

• Réduction à la surface des bulles de gaz contenant des particules de charbon. Le rôle de ces particules est de régénérer l'atmosphère réductrice dans les bulles (les conditions thermodynamiques du procédé rendent difficile la réduction des oxydes de fer par des bulles ne contenant pas de particules de charbon).
• Réduction avec les particules de charbon en contact direct aléatoire avec le laitier. Ici, la réduction se produit sous des conditions similaires à celles existant lorsque le fer est réduit par un matériau carboné en rotation et les bulles de gaz sont forcées de quitter la surface du matériau.

La réduction dans le fourneau Romelt se produit : (i) quand les particules de charbon sont en contact direct avec le laitier (60-80 %), (ii) quand le carbone est en contact direct avec les gouttelettes de métal (10-15 %), et (iii) à l'interface « gaz-laitier » (10-25 %). Typiquement, 85-90 % du fer est réduit avec la participation directe des particules de charbon. Cela différencie la réduction en phase liquide du procédé Romelt des autres procédés de fusion-réduction où le carbone dissous dans le métal joue un rôle substantiel (DIOS) ou le rôle principal (HIsmelt).

Dans le procédé Romelt, il existe des valeurs optimales pour la teneur en particules de charbon dans le bain de laitier, bien que ce paramètre puisse varier dans une large gamme. Le fourneau ne peut être ni surchargé ni sous-chargé en charbon. Un chargement sous-optimal conduit à une sur-oxydation du laitier fondu et à son moussage incontrôlé. Ainsi, on charge souvent du charbon en excès par rapport à la quantité calculée pour prévenir la sur-oxydation, ce qui aide parfois à stabiliser le procédé. Cependant, il y a une limite à l'excès de particules de charbon dans le laitier. Cette limite peut aussi causer des perturbations : baisse de la température du bain, augmentation de la teneur en oxydes de fer dans le laitier, diminution du degré de combustion secondaire des gaz sortants, et libération de plus de chaleur dans la chaudière de récupération.

L'alimentation en oxygène supplémentaire dans le fourneau ne favorise pas la combustion secondaire car l'oxygène ne réagit pas complètement avec le charbon flottant à la surface du laitier. Cette couche dense de charbon se forme suite à un sur-chargement de charbon ou un sous-chargement de matière oxydée. La présence de cette couche supprime la projection et l'adhérence du laitier aux parois, ce qui affecte négativement le transfert de chaleur de la zone de combustion primaire vers le bain de laitier, puisque ce transfert se fait principalement par les gouttelettes de laitier et le film de laitier s'écoulant le long des parois dans la zone de combustion secondaire.

On observe que dans un fourneau Romelt, si la teneur en charbon de la couche superficielle du laitier est d'environ 20-30 %, le procédé bascule dans un régime indésirable où le charbon bloque le transfert de chaleur de la zone de combustion secondaire vers le bain. L'occurrence de ce régime dépend non seulement de la quantité et de la composition du charbon accumulé dans le laitier, mais aussi du taux de circulation turbulente du laitier, qui détermine l'efficacité du mélange du charbon avec les autres composants du bain fondu.

Caractéristiques des produits et consommations spécifiques

Analyse typique de la fonte du procédé Romelt : carbone 4,5 %, silicium 0,1 %, manganèse 0,08 %, soufre 0,05 %, phosphore 0,1 %.

Analyse typique du laitier du procédé Romelt : CaO 39 %, MgO 7 %, SiO₂ 36 %, Al₂O₃ 11 %, FeO 3,0 %, MnO 3 %, TiO₂ 0,1 %, S 0,04 %.

Consommations spécifiques typiques par tonne de fonte : 940-1200 kg de charbon non cokéfiable sec, et 750-850 Nm³ d'oxygène.

Avantages du procédé Romelt

• Faible coût d'investissement grâce à l'exploitation à basse pression et l'utilisation d'équipements auxiliaires conventionnels.
• Pas de besoin de coke ou de charbon cokéfiable, donc coût d'exploitation inférieur.
• Peut traiter tout matériau contenant du fer, y compris les déchets métallurgiques, sans pré-traitement.
• Pas de besoin d'agglomérer l'oxyde de fer.
• Taux de récupération du fer élevé.
• Permet d'établir une source de fonte efficace à petite échelle pour les petites usines.
• Respectueux de l'environnement grâce à l'élimination des fours à coke et des usines d'agglomération (sinter et pelletisation).