Haut fourneau

Transcription

Haut fourneau

Haut fourneau
Conception et technologie
par
Maurice BURTEAUX
Ingénieur de l’École Centrale de Paris
Ancien Chef des hauts fourneaux de Longwy et Dunkerque
1.
1.1
1.2
2.
2.1
2.2
2.3
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9
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10
10
10
11
11
11
11
3.
3.1
3.2
3.3
Aspects économiques.............................................................................
Coût d’investissement d’un gros haut fourneau.......................................
Coût de la réfection .....................................................................................
Prix de revient de la fonte et économies d’énergie ..................................
—
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11
11
11
12
4.
4.1
4.2
Futur du haut fourneau ..........................................................................
Évolution des dimensions...........................................................................
Modifications possibles ..............................................................................
4.2.1 Utilisation massive d’électricité.........................................................
4.2.2 Haut fourneau à oxygène...................................................................
Procédés alternatifs au haut fourneau.......................................................
—
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12
12
12
13
13
2.6
2.7
2.8
4 - 1992
M 7 410 - 2
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6
—
6
Annexes du haut fourneau ....................................................................
Site ................................................................................................................
Préparation de la charge et chargement ...................................................
Production de vent chaud ...........................................................................
2.3.1 Soufflante ............................................................................................
2.3.2 Soufflante de secours.........................................................................
2.3.3 Conduite à vent froid..........................................................................
2.3.4 Cowpers...............................................................................................
2.3.5 Réseau de vent chaud ........................................................................
Injection de charbon....................................................................................
Halle de coulée.............................................................................................
2.5.1 Trou de coulée.....................................................................................
2.5.2 Rigole principale .................................................................................
2.5.3 Prétraitement de la fonte dans la halle de coulée............................
2.5.4 Assainissement de la halle de coulée ...............................................
Réseau de gaz ..............................................................................................
Circuits d’eau ...............................................................................................
Système de contrôle-commande et salle de contrôle ..............................
2.8.1 Conduite du haut fourneau................................................................
2.8.2 Système de communication ..............................................................
2.8.3 Salle de contrôle .................................................................................
2.4
2.5
M 7 410
Description et construction..................................................................
Profil interne.................................................................................................
1.1.1 Définition .............................................................................................
1.1.2 Détermination du profil......................................................................
1.1.3 Nombre de tuyères.............................................................................
1.1.4 Caractéristiques des gros hauts fourneaux européens...................
Construction du haut fourneau ..................................................................
1.2.1 Structure..............................................................................................
1.2.2 Blindage...............................................................................................
1.2.3 Garnissage réfractaire ........................................................................
1.2.4 Système de refroidissement..............................................................
1.2.5 Durée de la campagne .......................................................................
1.2.6 Incidents de la paroi du haut fourneau.............................................
4.3
Pour en savoir plus...........................................................................................
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques
Doc. M 7 410
M 7 410 − 1
HAUT FOURNEAU
______________________________________________________________________________________________________________________
e haut fourneau a montré, dans sa longue histoire, de grandes facultés
d’adaptation et a supporté, par exemple, le remplacement du combustible
initial, le charbon de bois, par le coke, puis la substitution de 20 à 35 % de ce
dernier, enfourné en gros morceaux au gueulard, par l’injection aux tuyères de
fioul, de gaz, ou de charbon en poudre.
Par contre, le haut fourneau exige d’être alimenté en coke et en aggloméré
de grande qualité (Haut fourneau. Théorie [M 7 400]), ce qui nécessite de
construire une cokerie et une agglomération, d’où un investissement important
qui oblige à l’installation d’une capacité importante (probablement 1 Mt par an)
pour assurer la rentabilité. De plus, la production ne peut varier que par petits
paliers (Haut fourneau. Exploitation [M 7 411]), faute de quoi, l’on risque
d’endommager le haut fourneau.
L
1. Description et construction
1.1 Profil interne
1.1.1 Définition
Le profil du haut fourneau est constitué par le dessin et les dimensions intérieures du garnissage réfractaire neuf ; ce garnissage délimite en effet le volume métallurgique où s’élabore la fonte (figure 1).
Il est difficile de préciser l’influence du profil sur les performances
du haut fourneau ; mais des expériences malheureuses ont
démontré la nécessité de choisir le profil avec soin [2].
1.1.2 Détermination du profil
Le nombre de dimensions à fixer est toujours plus grand que le
nombre de relations que l’on peut écrire, faute de pouvoir quantifier
l’effet du choix de telle hauteur ou de tel angle ; l’expérience est donc
essentielle pour cette détermination.
1.1.2.1 Section droite du haut fourneau
C’est un cercle, sauf dans certains creusets où le garnissage est
plus épais dans la région du trou de coulée.
1.1.2.2 Volume utile ou interne
Il est déterminé en fonction de la production visée, en estimant
que l’on peut fabriquer environ 2 et jusqu’à 2,5 t de fonte par jour
et par mètre cube de volume utile (Haut fourneau. Théorie [M 7 400]).
1.1.2.3 Diamètres
— Le diamètre du creuset Dc est en relation avec le volume du
fourneau comme le montre la figure 2.
— Le diamètre du ventre D v est approximativement égal à
1,1Dc , ce qui est suffisamment grand pour que la pression des
charges ne soit pas trop forte dans le ventre ; au-delà, l’angle d’étalages devient faible, ce qui gêne la descente des charges.
— Le diamètre du gueulard Dg est choisi assez grand pour que
la vitesse du gaz n’y dépasse pas 1,3 à 1,4 m/s ; par ailleurs, à cause
de la ségrégation des matières (qui augmente quand Dg augmente)
ainsi que de la difficulté de réaliser et de maintenir en état des cloches
ou des goulottes très grandes, on limite la valeur de D g à
environ 0,75Dc .
M 7 410 − 2
Figure 1 – Profil du haut fourneau [1]
1.1.2.4 Hauteurs et angles
■ Dans le creuset, on maintient de la fonte liquide entre le trou de
coulée et la sole, en plaçant celle-ci 1 à 2 m plus bas que celui-là ; la
fonte protège la sole et le mur de l’érosion par le métal qui va vers
le trou de coulée, et constitue un volant thermique. La hauteur entre
le trou de coulée et les tuyères est voisine de 0,33Dc , ce qui est
suffisant pour accumuler la fonte et le laitier produits entre deux
coulées. Au-dessus des tuyères, on évite que les chapelles (ouvertures destinées à recevoir tympes (§ 1.1.3) et tuyères) soient
pratiquées dans les étalages, en gardant une hauteur de cylindre
de 0,5 m.
______________________________________________________________________________________________________________________ HAUT FOURNEAU
1.2 Construction du haut fourneau
1.2.1 Structure
Le haut fourneau est construit sur un massif cylindrique de
béton dont la charge est répartie sur le sol par des pieux ou un
radier ; la contrainte sur le sol atteint 150 à 200 kPa.
Vers le bas, l’étanchéité est faite par la tôle de fond, qui est soudée
à la partie inférieure du blindage (figure 3). Ce dernier, en tôles
d’acier soudées, forme l’enveloppe extérieure du haut fourneau et
assure la stabilité et l’étanchéité de celui-ci. Le blindage se termine
à sa partie supérieure par un dôme qui porte l’appareil de chargement. Le haut fourneau est autoportant quand le blindage est stable
par sa seule structure, sinon, il s’appuie par des consoles sur la tour
carrée. Cette charpente, construite dans tous les cas près du
fourneau, porte la circulaire à vent, les passerelles, les sorties de gaz,
la tête du monte-charge et divers équipements.
1.2.2 Blindage
Figure 2 – Relation entre diamètre du creuset
et volume utile du haut fourneau [2]
■ Dans les étalages, l’angle ε et la hauteur He sont liés par la relation
tan ε = 2He /(Dv – Dc), d’où He = 0,05Dc tan ε. L’angle ε est choisi égal
à environ 80o, pour tenir compte de la diminution de volume des
matières ferrifères, sans cependant gêner la descente de la charge
par une pente trop faible.
La hauteur du ventre Hv est fixée à 2 ou 3 m, ce qui assure une
transition suffisante entre les deux troncs de cône.
Il subit des contraintes ayant pour origine la pression du gaz, la
poussée de la charge et des réfractaires et, dans le creuset, la pression ferrostatique ; pour un gros haut fourneau, la pression résultante est de 1 MPa au fond du creuset, 0,5 MPa aux tuyères
et 0,25 MPa au gueulard. On calcule l’épaisseur du blindage avec un
coefficient de sécurité de 1,6 par rapport à la limite d’élasticité ; les
contraintes sont vérifiées entre les trous par où passent les tubes
du système de refroidissement et surtout à leur pourtour, où elles
se concentrent pour atteindre une valeur parfois trois fois plus élevée
que la valeur en partie courante.
Quand le blindage s’échauffe, il subit une contrainte σ (article
Haut fourneau. Exploitation [M 7 411]) qui croît comme l’épaisseur
de la paroi e, qui est donc à minimiser.
Par exemple : pour une tôle d’acier d’épaisseur e = 50 mm ayant une
limite d’élasticité de 230 MPa, cette dernière est atteinte pour un flux
thermique traversant la paroi de 480 MJ/(m 2 · h), niveau de flux que l’on
constate localement quand le réfractaire est usé.
■ Dans la cuve, l’angle Φ et la hauteur H k sont liés par la relation
tan Φ = 2H k /(Dv – Dg), d’où tan Φ = 5,71H k /Dc . La hauteur de la cuve
doit être telle que le temps de séjour du gaz et des oxydes de fer y
soit assez grand pour permettre un bon achèvement des réactions
(article Haut fourneau. Théorie [M 7 400]), sans accroître inutilement
la perte de charge du gaz ; H k varie peu avec le diamètre du creuset
et est généralement de 16 à 18 m.
La hauteur de la partie cylindrique du gueulard est d’environ 2 m,
pour contenir une charge unitaire.
Le dommage est toutefois limité par le fluage du métal qui
relaxe les contraintes quand la température s’élève.
La qualité de l’acier est choisie pour sa limite d’élasticité, mais
aussi pour sa soudabilité, qui doit être bonne pour la mise en œuvre
sur chantier en plein air, et pour les réparations en cas de fissuration.
On utilise, de façon classique, l’acier pour chaudière A37
(Rm = 370 MPa) ou A42 (Re = 230 MPa ; Rm = 420 MPa), mais la
recherche de meilleures performances a conduit à l’emploi d’aciers
microalliés tels que l’Usiten 355HF (GTS Industries) (Re = 335 MPa ;
Rm = 480 MPa ; carbone équivalent ≈ 0,4).
1.1.3 Nombre de tuyères
L’épaisseur du blindage d’un gros haut fourneau est de 100 mm
dans le creuset, de 85 mm dans les étalages et de 65 à 40 mm dans
la cuve.
(0)
La régularité de descente de la charge est mieux assurée quand
les zones de combustion des tuyères voisines sont contiguës ; pour
cela, il faut que la distance entre les nez de tuyère soit de l’ordre
du mètre, d’où 28 tuyères pour un creuset de 10 m de diamètre et 40
pour celui de 14 m. La tuyère est placée dans la tympe, pièce en
cuivre, tronconique et creuse, refroidie à l’eau ; la tympe est calée
dans la chapelle en acier moulé soudée au blindage (figure 14).
1.1.4 Caractéristiques des gros hauts fourneaux
européens
Elles sont rassemblées dans le tableau 1.
1.2.3 Garnissage réfractaire
1.2.3.1 Qualités recherchées
Chargé de contenir les matières en cours de traitement et les
produits élaborés, le garnissage subit des sollicitations diverses et
variables selon la région considérée :
— température (dilatations, ramollissement) ;
— efforts mécaniques (chocs, érosion par la charge et le gaz) ;
— efforts thermomécaniques (choc thermique, gradient de
température) ;
— corrosion chimique par le gaz (CO, H2O, alcalins), par le laitier
(qui agit comme fondant) et la fonte (pénétration).
M 7 410 − 3
HAUT FOURNEAU
______________________________________________________________________________________________________________________
Tableau 1 – Caractéristiques des gros hauts fourneaux européens [1]
Hauts fourneaux
Caractéristiques
Dunkerque
4
Ijmuiden
7
Redcar
1
Volume total ...............................................................(m3)
Volume utile ................................................................(m3)
Dc ..................................................................................(m)
Dv ..................................................................................(m)
Dg ..................................................................................(m)
4 497
3 648
14
15,5
10,5
4 440
3 675
13
14,9
9,8
4 642
3 628
14
15,15
10,8
Distance de la sole au trou de coulée ........................(m)
He ..................................................................................(m)
ε ..........................................................................................
Hv ..................................................................................(m)
H k ..................................................................................(m)
Φ ........................................................................................
Hg ..................................................................................(m)
Nombre de tuyères ..........................................................
Nombre de trous de coulée .............................................
1,95
3,86
80o 43′
2,8
15,4
81o 83′
2,4
40
4
1,40
4,38
80o 30′
2,81
19,44
83o 06′
0,88
38
3
≈2
3,1
≈ 79o 50′
3
18,1
80o 30′
≈2
36
4
Schwelgern
1
4 708
3 596
13,6
15,8
10
≈ 83o
2,6
4,04
2,5
14,6
81o 23′
5,25
40
4
Tarente
5
4 335
3 309
14
15
9,8
2,7
3,7
82o 10′
3
16,5
81o 10′
1,2
36
4
Le matériau réfractaire doit être choisi sélectivement (figure 3)
pour faire face à ces sollicitations ; sa conductivité thermique est
particulièrement importante car :
— toutes les sollicitations sont plus faibles à froid qu’à chaud et
les produits bons conducteurs se refroidissent plus facilement que
les autres ;
— la résistance aux contraintes thermomécaniques R ′ (à l’origine
de l’écaillage des briques), qui s’exprime par la relation suivante,
est d’autant meilleure que λ est plus grand :
λ ( 1 – ν ) σm
R′ = --------------------------------Eα
avec
λ
ν
σm
E
α
conductivité thermique,
coefficient de Poisson,
résistance à la compression,
module d’élasticité,
coefficient de dilatation linéique.
1.2.3.2 Garnissage du creuset
Le matériau est essentiellement du carbone façonné en blocs de
section carrée de 0,25 m2 et longs de 1 à 2,5 m. Le carbone est aisément refroidi à cause de sa conductivité [λ = 8 W/(m · K)]. À la pression qui règne dans le creuset des hauts fourneaux marchant à forte
pression de vent, le carbone classique est pénétré par la fonte, cela
a conduit à l’emploi de carbone microporeux qui se laisse difficilement pénétrer à cause de la dimension de ses pores (< 1 µm). L’épaisseur du garnissage est de 1,5 à 2 m pour le mur et de 2 à 3 m pour
la sole ; cette épaisseur comprend, en face chaude, 0,5 à 1 m de matériau alumineux (70 % d’Al2O3) qui constitue la tasse céramique et
évite au carbone d’être en permanence exposé à la température où
se développent des contraintes thermiques et des dépôts d’alcalins,
circonstances propices à la formation d’une zone fracturée (brittle
layer) où le carbone se désagrège.
1.2.3.3 Garnissage des étalages, du ventre
et de la moitié inférieure de la cuve
Figure 3 – Garnissage réfractaire et refroidissement
M 7 410 − 4
Ce sont les régions des plus grandes sollicitations à cause de la
température, de la grande vitesse du gaz, des flux thermiques en
paroi importants et très variables, de la présence de composés
alcalins ; toutefois, les étalages sont souvent protégés par une couche précaire de laitier figé. Le matériau qui tend à s’imposer dans
cette partie du haut fourneau est constitué d’un agrégat de SiC dans
______________________________________________________________________________________________________________________ HAUT FOURNEAU
un liant le sialon (solution solide d’Al 2 O 3 dans Si 3 N 4 ) de
formule Si3Al3O3N5 . Ce produit a une bonne résistance à la corrosion par les alcalins et le laitier, une bonne résistance aux chocs
thermiques (λ = 12 W/(m · K) à 1 000 oC) et une bonne résistance
mécanique à froid et à chaud (45 Mpa à la flexion à 1 500 oC). Dans
cette région, comme d’ailleurs jusqu’au gueulard, l’épaisseur du
garnissage est d’environ 0,5 m.
1.2.3.4 Garnissage à mi-cuve
La température est suffisante pour que se développent des agressions chimiques : attaque par CO et les alcalins ; les fluctuations thermiques sont parfois fortes ; on y installe un matériau alumineux :
sillimanite (62 % d’Al2O3), ou à base de corindon (84 % d’Al2O3),
moins coûteux que le SiC lié au sialon.
1.2.3.5 Garnissage dans le haut de cuve
Le garnissage subit des chocs et de l’abrasion ; on y met un matériau dur comme le SiC lié à de l’argile, liaison suffisante en l’absence
d’attaques chimiques ; étant donné l’usure de cette partie pendant
les longues campagnes, on tend maintenant à y installer des plaques
de refroidissement lisses, sans garnissage réfractaire. Dans le gueulard, aucune brique ne résiste à la violence des chocs : on coule un
béton le long du blindage en le protégeant côté fourneau par des
plaques de choc en acier moulé allié (1 % Mn, 2 % Ni, 1 % Cr ; dureté
Brinnel 330 ; Rm = 1 100 MPa).
1.2.4 Système de refroidissement
1.2.4.1 Caractéristique
Il aide le garnissage réfractaire à résister aux sollicitations, et
protège le blindage contre un échauffement exagéré (figure 3). Le
principe du refroidissement est de faire circuler un fluide (eau, air,
fluide caloporteur) dans une enceinte étanche au contact du matériau
réfractaire ou du blindage ; le contact est assuré par le damage d’un
pisé conducteur entre le refroidissoir et la partie à refroidir. L’eau
est le fluide le plus utilisé pour son faible coût et sa capacité
thermique massique : 4,18 kJ/(kg · oC), contre 2,7 pour une huile
minérale et 1 pour l’air à 20 oC (tableau 2).
(0)
— La double enveloppe, ou water-jacket, est constituée par une
tôle de 20 mm installée parallèlement au blindage. L’eau circule dans
l’espace libre entre les deux tôles. Le grand inconvénient de ce
système est la difficulté de diriger l’eau dans une enceinte de grande
surface et dont le cloisonnement est toujours approximatif.
— Le tube de refroidissement doit être noyé dans un matériau
conducteur pour être efficace ; il est surtout employé dans le
sous-creuset.
— La plaque de refroidissement, ou stave cooler (figure 4), est
faite de tubes d’acier autour desquels a été coulée une plaque de
fonte ; la plaque est installée contre la face interne du blindage et
le garnissage réfractaire est maçonné contre elle. Ce système est
très efficace par la bonne répartition de l’effet de refroidissement
et par le grand débit d’eau qu’il autorise (50 à 60 m3/m2 de paroi
du haut fourneau). La fonte résistant bien aux efforts mécaniques
et à la corrosion, la plaque peut survivre longtemps après la disparition du garnissage réfractaire.
— La boîte de refroidissement, en cuivre, est mise en place au
milieu des assises de briques. On dessine son circuit d’eau (figure 5)
de façon à donner une grande vitesse à l’eau. On emploie 25 m3 d’eau
par mètre carré de paroi. La boîte, qui présente une surface horizontale importante, est un bon support pour les briques réfractaires.
1.2.4.3 Refroidissement d’un gros haut fourneau
Le choix entre plaques et boîtes dépend de la façon dont sont
appréciés le remplacement (plus facile pour les boîtes), l’effet de
refroidissement (local pour les boîtes, de surface pour les plaques),
le supportage des briques (meilleur pour les boîtes), la protection
du blindage (meilleure pour les plaques), l’inconvénient pour l’écoulement de la charge des protubérances que constituent les boîtes
quand le garnissage réfractaire est usé (tableau 3).
1.2.4.4 Les tuyères
Elles sont refroidies par une double circulation d’eau : dans le nez
et dans le corps. La vitesse de l’eau au nez doit être au moins égale
à 16 m/s pour éviter la vaporisation quand la tuyère est touchée par
de la fonte (figure 6). La pression de l’eau doit être sensiblement
supérieure à celle du vent pour éviter l’explosion de la tuyère en
cas de percée. Le cuivre utilisé est pur à 99,99 %, ce qui lui donne
une conductivité thermique d’environ 350 W/(m · K).
Tableau 2 – Influence de la température d’entrée
et de la vitesse de l’eau sur la température
de la paroi interne d’un tube soumis à un flux thermique
de 209 MJ/(m2 · h)
Vitesse de l’eau
(m/s)
0,5 .........................................
1 ............................................
2 ............................................
Température de la paroi
pour des températures d’entrée
de l’eau de :
20 oC
35 oC
50 oC
40
30
25
52
43
40
68
60
53
Pour éviter les dépôts de tartre dans les enceintes où circule de
l’eau, cette dernière est adoucie par passage sur des résines échangeuses d’ions, on lui ajoute ensuite du chromate de zinc pour la
rendre non corrosive.
1.2.4.2 Modes de refroidissement
— Le ruissellement consiste à faire couler une lame d’eau sur le
blindage. Il n’assure que l’évacuation de flux faibles (50
à 80 MJ/(m2 · h)), sinon il y a des risques pour la tenue du blindage.
Figure 4 – Plaque de refroidissement [3]
M 7 410 − 5
HAUT FOURNEAU
______________________________________________________________________________________________________________________
Figure 6 – Tuyères
1.2.6.2 Incidents du système de refroidissement
Figure 5 – Boîte de refroidissement [3]
(0)
Tableau 3 – Refroidissement d’un gros haut fourneau
Zone du haut fourneau
Mode
de
refroidissement
Fondation en béton .......
Sole du creuset..............
Tubes dans béton
Tubes dans pisé
Mur du creuset ..............
Étalages, ventre
et cuve ............................
Haut de cuve et dôme ...
Ruissellement
Plaques ou boîtes
de refroidissement
Ruissellement
Eau 180 m3/ h
Fluide
Air 5,5 m3/s
Eau ou fluide
caloporteur 90 m3/h
Eau 3 000 m3/ h
Eau 4 000 m3/ h
1.2.5 Durée de la campagne
La durée de la campagne dépasse actuellement dix ans [4] ; le HF3
de Kashima (Japon), par exemple, a produit 48 Mt en une campagne
de 13 ans et 5 mois, et l’on compte atteindre 15 ans. L’allongement
de la campagne a d’abord un intérêt économique (l’amortissement
du coût de la réfection se fait sur un plus grand nombre de tonnes),
mais aussi un intérêt pour le fonctionnement de l’usine sidérurgique,
qui est moins souvent privée de ses hauts fourneaux.
La durée de la campagne dépend beaucoup de la conception de
l’appareil, mais aussi de la surveillance qu’on peut exercer sur lui,
c’est-à-dire de l’équipement de mesures dont on dispose, et enfin
du mode de conduite, comme le montre l’exemple du flux de gaz
à la paroi (article Haut fourneau. Exploitation [M 7 411]). Enfin, des
interventions judicieuses (§ 1.2.6) sont un moyen efficace pour faire
une longue campagne.
1.2.6 Incidents de la paroi du haut fourneau
1.2.6.1 Usure des réfractaires
Elle est, en général, progressive et lente (quelques millimètres par
mois), mais un effondrement du garnissage peut se produire, par
exemple, à la remise en route après un long arrêt. Le garnissage
peut être consolidé, à partir de l’extérieur, par des injections de mortier, ou par l’intérieur, par projection de ciment, après vidage de la
cuve par une descente de la charge (article Haut fourneau.
Exploitation [M 7 411]).
M 7 410 − 6
Ils sont à l’origine d’entrées d’eau, très néfastes au fonctionnement
du haut fourneau ; il faut les détecter et les supprimer rapidement.
La détection se fait par la surveillance des niveaux dans le ballon
de mise en charge de chaque circuit, et par celle du rendement en
hydrogène (article Haut fourneau. Théorie [M 7 400]) qui diminue
quand il y a une entrée d’eau dans le haut fourneau. La recherche
de la pièce percée se fait ensuite par des manœuvres des robinets
d’alimentation ; on a grand intérêt à faciliter ces manœuvres à cause
du grand nombre de circuits élémentaires à vérifier (120 pour les
tuyères, 280 pour les plaques de refroidissement). La pièce percée
est remplacée, immédiatement s’il s’agit d’une tuyère, plus tard,
après fermeture de l’alimentation, s’il s’agit d’une boîte ; le remplacement d’une plaque, long et difficile, est une opération très
exceptionnelle.
1.2.6.3 Incident de blindage
C’est la fissuration qui se développe à la suite des cycles de
contraintes thermiques. La réparation de la fissure peut être réalisée
par soudage ; mais il est souvent préférable de laisser de la souplesse
à la tôle en arrêtant la fissure par des trous percés au foret et en
soudant un couvre-joint souple pour assurer l’étanchéité.
1.2.6.4 Percée de creuset
Heureusement très rare est l’incident le plus grave à la fois à cause
des problèmes de sécurité posés par le déversement de la fonte, et
par la durée d’immobilisation du haut fourneau pour la réparation.
L’utilisation des capteurs mis en place dans la paroi du creuset et
le calcul permanent des flux thermiques locaux permettent de prévenir un tel incident.
2. Annexes du haut fourneau
La description qui suit se rapporte à un fourneau de 14 m de diamètre de creuset, le principal exemple étant le haut fourneau HF4
de Dunkerque.
2.1 Site
L’implantation d’un tel haut fourneau s’étend sur une surface d’au
moins 100 000 m2, où l’on installe, outre le haut fourneau, les
nombreuses annexes nécessaires à son fonctionnement, à la vie du
personnel, à la lutte contre la pollution et à la récupération d’énergie.
______________________________________________________________________________________________________________________ HAUT FOURNEAU
2.2 Préparation de la charge et chargement
Le stockage des matières minérales se fait dans des accumulateurs
dont la capacité de 9 à 12 000 m3 (soit 20 à 30 heures de consommation) est divisée en 20 à 30 cases pour qu’on puisse y stocker,
avec beaucoup de possibilités, de l’aggloméré, des boulettes, des
additions et au moins deux types de minerai. Le coke est stocké
dans 6 à 8 cases qui ont une capacité totale de 4 à 5 000 m 3, soit 10
à 15 heures de consommation. Extraites des accumulateurs par des
extracteurs vibrants, les matières sont déversées sur des cribles
dimensionnés pour avoir un très bon rendement de criblage. Chaque
crible à coke peut traiter 210 t/ h sur une surface de 12 m2 ; on y élimine les fractions inférieures à 25 mm. Chaque crible à matières
minérales peut traiter 240 t/ h sur une surface de 7 m2 ; la coupure
se fait à 5 ou 6 mm.
Après criblage, les fines sont expédiées vers l’agglomération par
bandes transporteuses, et les matières à enfourner sont pesées
soit dans des trémies sur pesons, soit par des bascules sur bande.
La précision de mesure des deux types de bascule est de 0,2 %, ce
qui garantit une pesée à moins de 0,5 % ; les bascules sur bande
sont cependant plus difficiles à étalonner.
Après pesage, le coke et les matières minérales sont dirigées par
bandes transporteuses vers quatre trémies d’expédition et de
contrôle, dont la capacité est un peu supérieure à celle du sas ou
d’une trémie du gueulard, et qui sont installées au bas de la bande
de chargement. Cette bande qui transporte les matières jusqu’au
gueulard est un organe essentiel à la marche du haut fourneau ; elle
fonctionne à faible vitesse (1,5 m/s) de façon à limiter son usure, sa
capacité est de 2 000 t/ h et son inclinaison ne dépasse par 12o pour
éviter le glissement des matières. Les trémies d’expédition, en
stockant les matières au plus près possible du gueulard (≈ 260 m),
contribuent à l’obtention de la capacité de chargement visée :
c’est-à-dire pouvoir enfourner en 16 à 18 heures le coke et la mine
nécessaires à la production d’une journée. Ce dispositif est
cependant insuffisant et il faut prévoir, dans l’automatisme, une anticipation qui fait expédier les matières vers le gueulard avant que
le sas ou la trémie destiné à les recevoir ne soit vide. Sur le système
de bandes qui transporte le coke, on installe un dispositif de
prélèvement qui permet de diriger un échantillon de coke vers une
trémie, où une sonde à neutrons mesure son humidité. Cette mesure
est employée pour calculer l’enfournement massique de coke sec.
L’ensemble de l’installation sous les accumulateurs (extraction,
criblage, pesée et bandes transporteuses) est dépoussiéré par
l’aspiration de 700 000 m3/h d’air filtré avant rejet.
Figure 7 – Caractéristique débit-pression d’une soufflante [5]
2.3.2 Soufflante de secours
C’est une soufflante centrifuge actionnée par un moteur Diesel et
qui démarre automatiquement et immédiatement en cas de panne
de courant ; elle permet de maintenir un débit de 110 000 m3/h de
vent vers le haut fourneau, ce qui évite l’arrêt imprévu et brutal, toujours craint à cause de ses conséquences possibles : mise en
dépression du réseau de gaz, refoulement de laitier liquide dans les
tuyères qu’il faut alors nettoyer.
2.3.3 Conduite à vent froid
Elle amène le vent de la soufflante aux cowpers ; du fait de la forte
compression : du « vent froid » qui est à environ 250 oC, il est intéressant de calorifuger la conduite pour limiter la perte de chaleur.
L’injection de vapeur et l’enrichissement du vent en oxygène se font
dans cette conduite, sur laquelle est branchée la snort-valve, vanne
de décharge qui sert à l’opérateur pour les manœuvres rapides sur
le vent : ralentissement, balancement.
2.3.4 Cowpers
2.3 Production de vent chaud
2.3.1 Soufflante
C’est un compresseur axial puissant (20 à 60 MW) mû par un
moteur électrique ou par une turbine à vapeur. Les aubages du stator
sont orientables et, par leur rotation, on fait varier le débit de vent
comprimé. Le nombre d’étages de compression est de 10 à 12 ; la
vitesse est de 3 000 tr/min. La figure 7 montre le diagramme
débit-pression d’une telle machine. Les pressions sont limitées vers
le bas, par la choking line, en deçà de laquelle les ailettes vibrent,
ce qui accélère leur vieillissement, et vers le haut, par la ligne au-delà
de laquelle la machine se met à pomper ; la soufflante est protégée
du pompage par la soupape de décharge qui s’ouvre quand la pression atteint la ligne d’antipompage. En marche normale il y a intérêt
à fonctionner dans la plage de rendement maximal, d’où la nécessité
de choisir une soufflante bien adaptée au régime débit-pression du
haut fourneau ; si ce régime évolue, on peut parfois adapter la soufflante en réduisant le nombre d’étages.
Ils servent à chauffer le vent en utilisant comme combustible principal le gaz de haut fourneau.
Un cowper est constitué de deux cylindres de tôle, les puits de
combustion et de ruchage, reliés entre eux, en partie haute, par la
coupole (figure 8). Ces tôleries sont protégées par un appareillage
de briques réfractaires, indépendant de la tôle pour permettre des
dilatations sans contraintes : le manteau dans les parties verticales,
et la voûte de la coupole. Le bas du puits de combustion est équipé
du brûleur céramique et comporte la sortie de vent chaud. Le puits
de ruchage est rempli de briques destinées à emmagasiner la chaleur
sensible des fumées produites par le brûleur. Ces briques, ou ruches,
de forme complexe, constituent des canaux verticaux où circulent
les fumées et le vent. Les caractéristiques importantes des ruches
sont :
— leur surface spécifique d’échange (40 à 50 m2/m3) qui fixe les
possibilités d’échange thermique entre les fluides et la brique ;
— le diamètre hydraulique des trous (30 à 35 mm) qui fixe la perte
de charge des fluides dans le ruchage ;
— la masse spécifique du ruchage en place (environ 1,3 t /m3)
dont la valeur détermine, en fonction de la hauteur, les risques de
fluage pour les briques situées en dessous.
M 7 410 − 7
HAUT FOURNEAU
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Figure 8 – Cowper (HF4 de Dunkerque Sollac)
Ces trois caractéristiques sont évidemment interdépendantes. Les
briques de ruchage sont portées par une grille en fonte, elle-même
supportée par des colonnes ; dans l’espace libre sous la grille
débouchent les deux sorties de fumées et l’entrée de vent froid. Les
compositions des produits réfractaires employés pour le ruchage
sont indiquées sur la figure 8. On remarque que la partie haute, la
plus chaude, est constituée (comme d’ailleurs la voûte et le manteau
du puits de combustion) de briques de silice, qui est utilisée ici à
cause de sa forte réfractarité (fusion au-dessus de 1 700 oC) ; la silice
subissant vers 850 oC une transformation allotropique réversible
accompagnée d’une variation de volume, le réchauffage et le refroidissement des cowpers doit se faire avec de grandes précautions
pour éviter des dommages à la maçonnerie.
Chaque cowper est alternativement au gaz, c’est-à-dire en période
de chauffage du ruchage, et au vent, c’est-à-dire en période de
réchauffage du vent. Le passage d’une période à l’autre s’effectue
par la manœuvre des vannes installées sur les différentes entrées
et sorties ; à cause de la différence de pression entre la période au
gaz et la période au vent, la manœuvre des vannes principales est
précédée de la manœuvre de petites vannes de compression et de
décompression. Il faut au moins deux cowpers par haut fourneau,
et il y en a réellement trois ou quatre. La température de flamme
obtenue par la combustion du seul gaz de haut fourneau ne permet
pas d’échauffer le vent à 1 200-1 250 oC, il faut donc soit enrichir le
gaz de haut fourneau par du gaz de cokerie, soit, comme on le généralise maintenant pour les gros hauts fourneaux, préchauffer l’air
de combustion et le gaz en récupérant la chaleur sensible des
fumées.
M 7 410 − 8
Avec le développement des moyens de mesure, le risque d’endommager les briques par surchauffe a beaucoup diminué. Le risque
important, auquel reste soumis le cowper, est la corrosion intergranulaire de la tôle principalement dans la zone des soudures. Cette
corrosion est le fait des produits nitrés issus d’oxydes NOx fabriqués
au-delà de 1 500 oC pendant la période au gaz ; elle se développe
quand la tôle est sous tension, pendant la période au vent. On lutte
contre cette corrosion par l’emploi de tôle en acier à l’aluminium,
par un recuit après soudage pour réduire les contraintes, par la mise
en place sur la face interne de la tôle d’une feuille d’aluminium ou
d’un produit plastique étanche.
2.3.5 Réseau de vent chaud
Une conduite rectiligne amène le vent depuis les cowpers jusqu’à
la conduite circulaire ; de là, le vent est distribué aux tuyères par
les descentes de vent et les busillons (figure 14) ; des compensateurs
à ondes autorisent la dilatation des descentes de vent et leur déplacement par rapport au haut fourneau. Les conduites de vent chaud
sont garnies de plusieurs rouleaux de briques, réfractaires du côté
chaud, isolantes le long de la tôlerie. La conduite rectiligne reçoit
l’addition de vent froid qui permet le réglage de la température du
vent, elle comporte une vanne d’arrêt, fermée pendant l’arrêt, et une
cheminée de décharge pour évacuer le gaz qui refoule par les tuyères
au moment de l’arrêt.
______________________________________________________________________________________________________________________ HAUT FOURNEAU
2.4 Injection de charbon
Le broyeur à charbon fournit un charbon avec une humidité résiduelle d’environ 1 % et une granulométrie d’environ 80 % de particules de diamètre inférieur à 70 µm. Transporté pneumatiquement
jusqu’à la tour à charbon, ce dernier y est stocké dans un silo de
stockage ; il passe ensuite dans un silo de dosage, qui sert de sas
entre l’amont où la pression est d’environ un bar et l’aval où la pression est supérieure à celle du vent aux tuyères. Le silo de distribution
reçoit ensuite le charbon ; celui-ci en est extrait par autant de distributeurs alvéolaires qu’il y a de tuyères et expédié pneumatiquement vers la canne d’injection (figure 9). Pour une raison de
symétrie, il est important que toutes les tuyères reçoivent la même
quantité de charbon, d’où le rôle des distributeurs alvéolaires ou,
de plus en plus souvent maintenant, pneumatiques.
En fin de coulée, la machine à boucher vient se mettre en position
sur le trou de coulée et y pousse la masse à boucher [7], sous une
pression de 20 MPa. Les caractéristiques demandées à la masse qui
sert à obturer le trou sont : la plasticité au moment du bouchage,
le durcissement rapide quand elle est en place, la ténacité pour
retenir la fonte jusqu’à la coulée suivante, la possibilité d’être percée
par le taillant de la déboucheuse, et la résistance à l’usure par la
fonte et à la corrosion par le laitier pendant la coulée. Une telle masse
contient 30 à 40 % d’Al2O3 , 10 à 12 % de SiO2 , 10 à 12 % de SiC,
4 à 5 % de Si3N4 , 15 à 20 % de carbone, avec un liant qui peut être
du goudron (de moins en moins utilisé à cause de la pollution), du
brai ou des résines (quand on veut une prise très rapide) ; elle permet
d’obtenir un bouchage de 3 à 3,5 m de longueur pour une consommation de masse à boucher de 0,5 kg/t de fonte.
2.5.2 Rigole principale
2.5 Halle de coulée
Les hauts fourneaux qui ont au moins deux trous de coulée ont
deux halles de coulée, afin de rendre indépendantes les rigoles à
fonte et à laitier qui s’y trouvent (figure 10). L’ensemble des deux
halles couvre environ 7 000 m2, et chaque halle dessert deux trous
de coulée. Dans chaque halle, chacun des deux trous et ses rigoles
sont alternativement en service ou en période de nettoyage.
Elle recueille la fonte et le laitier à la sortie du trou de coulée, et
doit être assez longue (13 à 18 m) pour une bonne séparation de
la fonte et du laitier ; elle se termine par le siphon où les deux liquides
se séparent par densité. La rigole à fonte conduit ensuite le métal
vers une rigole basculante qui, par son inclinaison à droite ou à
gauche, déverse la fonte dans une poche torpille de 250 à 450 t,
placée sur l’une où l’autre des deux voies ferrées qui desservent le
trou de coulée. La rigole à laitier dirige ce dernier vers une fosse à
laitier ou vers une installation de granulation.
2.5.1 Trou de coulée
Au moment de la coulée, le trou est débouché par une perforatrice
montée sur un châssis pivotant, équipée d’une barre munie d’un
taillant de 40 à 50 mm de diamètre ; elle doit pouvoir percer sur une
longueur de 3,5 m un trou incliné de 10 à 12o vers le bas du creuset.
Figure 9 – Injection de charbon [6]
Figure 10 – Halles de coulée (HF4 Dunkerque)
M 7 410 − 9
HAUT FOURNEAU
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Quand les rigoles sont usées, on met en service le deuxième trou
dans la même halle et, sur le chantier qui vient d’être abandonné,
on fait la réfection des rigoles : nettoyage avec un engin mécanique,
mise en place du nouveau revêtement par coulage, séchage puis
cuisson du matériau. Le matériau utilisé pour le garnissage des
rigoles est un pisé-béton [8] à base de silice et d’alumine (60 à 75 %)
et de carbure de silicium (12 à 20 %) ; en surface, ce dernier
composant réagit avec l’oxygène de l’air ou le FeO du laitier selon
la réaction :
SiC + O2 → SiO2 + C
le dépôt de SiO2 + C formé colmate les pores du matériau et empêche
la continuation de la corrosion par l’air ou le laitier. La composition
chimique du pisé-béton varie selon la nature de la rigole (principale,
à fonte ou à laitier) ; la consommation totale est d’environ 1 kg/t de
fonte, dont la moitié pour la rigole principale, qui est la plus sollicitée.
2.5.3 Prétraitement de la fonte dans la halle de coulée
Il est parfois pratiqué pour abaisser la teneur en silicium et en phosphore de la fonte ; on allège ainsi le travail de la conversion de la
fonte en acier, ce qui en diminue le coût et accroît la capacité de
l’aciérie. La figure 11 indique un schéma du procédé et un exemple
des résultats obtenus.
2.5.4 Assainissement de la halle de coulée
Il se fait par aspiration des poussières et des fumées autour des
trous de coulée, au-dessus du siphon et des fosses où la fonte est
versée dans la poche. Pour que l’aspiration soit efficace, il faut couvrir
l’ensemble des rigoles et les fosses au-dessus des poches, cette
couverture augmente de plus considérablement la sécurité sur le
chantier de coulée. La capacité d’aspiration est de 700 000 m3/h pour
chacune des halles. L’air traverse une filtration par sacs avant d’être
rejeté ; on récupère 15 à 20 t de poussières par jour.
2.6 Réseau de gaz
Le gaz est évacué du haut fourneau par quatre prises de gaz surmontées par 4 ou 6 purges (bleeders) qui sont à la fois des organes
de sécurité s’ouvrant en cas de surpression dans le gueulard et le
moyen d’aérer le gueulard lors des arrêts. Les prises de gaz sont
ensuite réunies en une ou deux descentes de gaz qui aboutissent
à l’installation d’épuration primaire. Celle-ci est composée d’un très
gros bidon, le pot à poussières, ou mieux, de deux cyclones de 5
à 6 m de diamètre. Le gaz entre tangentiellement dans le cyclone
et y perd ses grosses poussières par l’effet de la force centrifuge ;
ce mouvement provoque une forte abrasion, et le cyclone doit être
revêtu intérieurement de plaques anti-usure en carbure de silicium
ou en alumine-zircone électrofondue. À la sortie du cyclone, le gaz
contenant moins de 2,5 g/m3 de poussières est dirigé vers l’installation d’épuration secondaire qui, pour les hauts fourneaux
marchant avec contre-pression, comprend habituellement un ou
deux laveurs à venturi (tuyère laveuse, ou venturi scrubber ) où l’eau
de lavage est injectée au col. L’épuration du gaz est provoquée par
une détente de 0,3 bar dans le venturi, la teneur résiduelle en poussières est inférieure à 5 mg/m3. Dans des installations récentes, le
laveur est remplacé par une épuration par sacs, et donc à sec, où
la perte de charge n’est plus que de 2,5 kPa (25 mbar).
Après l’épuration secondaire se trouve l’organe de réglage de la
pression dans le gueulard (ou contre-pression). Ce réglage peut se
faire par laminage du gaz dans un ensemble de conduites équipées
de vannes régulatrices : la septum-valve, qui délivre le gaz dans le
réseau général sous une pression de 5 kPa ; mais on peut aussi en
profiter pour récupérer l’énergie de détente dans une turbine qui
actionne un alternateur ; on récupère ainsi environ 9 MW (soit le tiers
de la puissance de soufflage du haut fourneau) avec une turbine
centripète ou 20 % de plus avec une turbine axiale. En fait (figure 12),
on installe toujours une septum-valve en parallèle avec la turbine,
pour continuer à régler la contre-pression en cas d’arrêt de cette
dernière.
2.7 Circuits d’eau
Leurs caractéristiques communes sont :
— la recirculation, nécessaire à cause de l’importance des débits
mis en œuvre, et pour ne pas perdre l’eau traitée ;
— la sécurité de fonctionnement assurée par un groupe
moto-pompe de secours à moteur Diesel ;
— un système de réfrigération qui est soit un réfrigérant atmosphérique, soit un aéroréfrigérant à circulation d’air forcée, soit un
réfrigérant à plaques dont le fluide primaire est de l’eau de mer ou
de rivière.
Le tableau 4 donne les caractéristiques des divers circuits d’eau.
Figure 11 – Prétraitement dans la halle de coulée [9]
Figure 12 – Installation d’une turbine de récupération [10]
(0)
M 7 410 − 10
______________________________________________________________________________________________________________________ HAUT FOURNEAU
Tableau 4 – Circuits d’eau d’un gros haut fourneau
Circuit
Plaques, boîtes de refroidissement ...............
Tuyères et trou de coulée ...............................
Vannes à vent chaud .......................................
Ruissellement du creuset ...............................
Lavage du gaz ..................................................
Primaire des échangeurs à plaques ...............
Débit
max.
(m3/h)
4 000
1 320
600
2 100
2 200
3 000
Pression
Pompes
(MPa)
électriques
Diesel
0,32
0,63
0,5
0,22
0,57
0,13
4
2
2
4
2
2
1
2
1
2.8 Système de contrôle-commande
et salle de contrôle
2.8.1 Conduite du haut fourneau
Le système de contrôle-commande possède une architecture de
niveaux.
— Au niveau 0 se trouvent les capteurs (prises de mesures,
repères de positionnement) et les actionneurs (moteurs, vérins...).
— Au niveau 1 se trouvent les automates et les régulateurs. Les
fonctions de régulation et d’automatisme peuvent être remplies
par des postes d’acquisition et de commande qui reçoivent des
informations logiques (position des organes) ou analogiques
(résultats des mesures) et envoient des instructions aux organes
(ordre de commande) ou aux régulateurs (valeur de réglage). Le
tableau 5 indique le nombre d’entrées et de sorties traitées par un
ensemble de 32 postes d’acquisition et de commande. Au niveau
1 se trouvent aussi deux calculateurs chargés de la coordination
des automatismes du chargement.
(0)
Tableau 5 – Entrées et sorties du système
de contrôle-commande
Entrées analogiques......... 1 069 Sorties analogiques ......... 179
Entrées logiques ............... 2 971 Sorties logiques ............... 1 480
Entrées d’impulsions .......
24
Total entrées + sorties = 5 723
— Le niveau 2 est le niveau de conduite, là sont les écrans et les
claviers qui permettent à l’opérateur de recevoir des informations
et de donner des instructions telles que la mise en marche d’une
installation ou une valeur de réglage.
— Le niveau 3 est constitué par un calculateur puissant chargé
de traiter ce qui concerne le procédé : modèles divers, dont le MMHF,
aides à la conduite, dont le Go-Stop, calcul simplifié du lit de fusion,
optimisation de la chauffe des cowpers, surveillance du fonctionnement du gueulard... et de communiquer avec le calculateur de
l’usine à fonte.
2.8.2 Système de communication
Pour minimiser la longueur de câblage entre les postes d’acquisition et de commande et le niveau 0, il est intéressant de répartir
les postes sur le site, au plus près des installations. La communication entre les 47 postes des niveaux 1 et 2 est faite par un bus rapide
(2 Mbit /s) qui travaille sur une base de données d’une capacité
de 16 000 points. La liaison entre le bus et le niveau 3 est réalisée
par un frontal de communication.
1
Qualité
de l’eau
adoucie
adoucie
adoucie
industrielle
industrielle
eau de mer
Réfrigérant
plaques ou aéroréfrigérant
réfrigérant atmosphérique
décanteur + aéroréfrigérant
2.8.3 Salle de contrôle
Elle est le lieu de travail des opérateurs qui y ont à leur disposition
les consoles (clavier + écran) des niveaux 2 et 3, une console ingénieur qui sert à la programmation des postes d’acquisition et de
commande, et des consoles de traitement des défauts pour l’aide
au dépannage. Un pupitre de commandes directes permet de faire
les manœuvres d’urgence en cas de panne complète du système
de contrôle-commande.
3. Aspects économiques
3.1 Coût d’investissement d’un gros
haut fourneau
Haut fourneau de 14 m de diamètre aux conditions économiques
de 1991.
Il n’y a qu’un projet de cette taille actuellement ; la fourchette du
coût serait de 770 à 1 000 MDM, soit 2 600 à 3 400 MF. L’étendue de
la fourchette est conforme au chiffrage d’un avant-projet sommaire.
Par ailleurs, un coût d’installation (tableau 6) a été calculé, à partir
du coût détaillé d’une réfection. On a estimé le pourcentage qui a
été remplacé pour chaque équipement, ce qui a permis de calculer
son coût total. Ce prix total est valable pour un haut fourneau équipé
des annexes décrites ci-avant et capable de faire une campagne de 10
à 12 ans. Le coût à la tonne annuelle installée (investissement/ production annuelle) est de 3 100 MF/3,2 Mt de fonte, soit de 969 F.(0)
Tableau 6 – Coût d’un gros haut fourneau (MF)
Haut fourneau proprement dit ............................................
Chargement et gueulard .....................................................
Cowpers et réseau de vent chaud ......................................
Halle de coulée .....................................................................
Réseau de gaz et épuration .................................................
Alimentation en eau et circuits ...........................................
Électricité et instrumentation ..............................................
Charpentes et génie civil .....................................................
Auxiliaires, manutentions et voies ferrées ........................
Études, essais, imprévus .....................................................
Total ......................................................................................
350
340
650
300
150
200
300
450
70
290
3 100
3.2 Coût de la réfection
Le coût de la réfection peut répetition être estimé à 720-740 MF
au 1/1/1988, soit environ 790 MF au 1/1/ 91 (Haut fourneau. Exploitation [M 7 411]), soit approximativement 25 % du prix d’un haut
fourneau neuf. L’amortissement de ce coût sur une campagne
de 10 ans, où l’on produit 32 Mt de fonte, revient à près de 25 F/ t
de fonte.
M 7 410 − 11
HAUT FOURNEAU
______________________________________________________________________________________________________________________
3.3 Prix de revient de la fonte
et économies d’énergie
4.2.1.1 Torche à plasma
Le coût de l’enfournement, c’est-à-dire le coût des matières
premières moins les rentrées par les récupérations (gaz, laitier, poussières), représente 83 % du prix de revient de la fonte, les 17 % restants étant les frais divers, dont essentiellement les frais de
fabrication (tableau 7).
(0)
Tableau 7 – Structure du prix de revient
de la fonte
Enfournement
Frais
Matières minérales.............63 % Production de vent froid.... 19 %
Combustibles......................49 % Frais de transformation ..... 61 %
Récupérations (1) ............ – 12 % Frais généraux.................... 20 %
(1) essentiellement le gaz.
Toutes choses égales par ailleurs (en particulier à mise au mille
de combustibles constante), la somme dépensée pour l’enfournement est proportionnelle à la production. Environ 40 % des frais sont
fixes dans le temps, le reste (la plus grande part de l’énergie et des
matières comme le pisé-béton) est également proportionnel à la
production.
L’énergie sous différentes formes (gaz pour le chauffage des
cowpers, électricité pour la soufflante et les pompes...) constitue
environ la moitié des frais (17/2 %) et, avec le gaz (10 %), la quasitotalité des récupérations ; si l’on ajoute les combustibles, on peut
écrire que l’énergie totalise : 49 + 17/2 – 10 = 47,5 % du prix de
revient. Cela montre l’intérêt que portent les exploitants aux économies d’énergie, qu’il s’agisse de diminuer la mise au mille de coke,
de récupérer la chaleur sensible des fumées de cowpers et l’énergie
du gaz de gueulard, ou qu’il s’agisse de mettre en œuvre des procédés plus complexes, comme la récupération de la chaleur du laitier
que l’on essaye de faire par granulation à sec, voire d’améliorations
de détail comme l’utilisation de l’eau en cascade dans deux ou trois
circuits. Les conditions économiques locales, ou du moment,
modulent évidemment les choix.
Le plasma est un gaz ionisé qui a, de ce fait, une teneur en énergie
très élevée (14 à 20 MJ/m3 contre 1,7 MJ/m3 dans le vent chaud
à 1 200 oC) et dont les molécules dissociées ont une très grande cinétique de réaction. Le plasma est produit par application d’une forte
puissance électrique dans une torche dont un modèle est représenté
sur la figure 13. Les torches actuellement utilisées ont une puissance
de 1 à 4 MW et un rendement propre de 80 à 85 %. Dans l’emploi
au haut fourneau, on atteint un rendement global de 70 à 75 %, la
torche étant installée sur le porte-vent au plus près de la tuyère où
l’on injecte le plasma (figure 14).
4.2.1.2 Surchauffe du vent
Une installation mise en place avec l’aide de l’IRSID fonctionne
à la SFPO sur un haut fourneau à ferromanganèse de 400 t/ jour ;
elle comprend 8 torches de 1,5 MW implantées sur 8 des 9 tuyères
du fourneau. L’injection de 500 kWh/t de fonte permet d’augmenter
la température du vent d’environ 330 oC et d’économiser ainsi 170 kg
de coke par tonne de fonte.
Figure 13 – Torche à plasma [12]
4. Futur du haut fourneau
4.1 Évolution des dimensions
Entre 1965 et 1976 [2], le volume interne des plus gros appareils
mis en service est passé de 2 000 à 5 000 m3 (HF2 d’Oïta et HF3 de
Kashima) ; tous les hauts fourneaux mis en service depuis cette date,
sauf le HF5 de Tcherepovetz en URSS (5 580 m3), ont un volume
interne inférieur à 4 800 m3 (4 350 m3 de moyenne pour les plus
de 4 000). Il y a donc eu un tassement indéniable dans l’évolution
des dimensions du haut fourneau, et cela conduit à penser qu’une
nouvelle croissance est peu envisageable ; les raisons en sont moins
technologiques que conjoncturelles et d’organisation (à cause du
manque de souplesse d’exploitation d’un haut fourneau hypergéant). Au-delà de l’avenir proche, il sera probablement fait appel,
en partie, aux procédés alternatifs (§ 4.3) ; il paraît donc exclu de voir
construire des hauts fourneaux significativement plus gros que les
appareils actuels.
4.2 Modifications possibles
4.2.1 Utilisation massive d’électricité
Figure 14 – Implantation d’une torche à plasma [12]
Le lecteur pourra se reporter utilement au [Doc. M 7 410] à la
référence [11].
M 7 410 − 12
______________________________________________________________________________________________________________________ HAUT FOURNEAU
4.2.1.3 Injection de gaz réducteur aux tuyères
Il s’agit du procédé Pirogas (du Centre de Recherches Métallurgiques de Liège) qui consiste, par exemple, à réformer du gaz
naturel par CO2 ou par l’air, par passage de ce gaz dans une torche
à plasma, et d’injecter dans la tuyère le produit du réformage. Des
essais, faits sur un fourneau pilote de 0,5 m de diamètre, ont permis
d’abaisser la consommation de coke à 105 kg par tonne de fonte en
injectant, à 2 020 oC, du gaz composé de 49,4 % de CO + H 2 et
de 47 % d’azote. La faisabilité du procédé a été démontrée par un
essai sur une tuyère d’un haut fourneau de Seraing.
4.2.1.4 Injection massive de charbon
L’élévation de la température du vent due à l’utilisation de la torche
à plasma fait entrevoir la possibilité d’injecter massivement du
charbon (au-delà de 200 kg/t ) parce que, d’une part, on peut maintenir la température de flamme à un niveau suffisamment élevé tout
en supprimant la suroxygénation du vent, et que, d’autre part, la température atteinte provoque la volatilisation de plus de la moitié du
charbon, et facilite donc sa combustion. L’utilisation de l’électricité
permettant de plus de supprimer l’emploi de gaz riche pour le chauffage des cowpers, on peut envisager de substituer :
(1 000 kg de charbon aux tuyères + 2 500 kWh + 1 000 MJ de gaz de
haut fourneau) à (1 235 kg de coke + 1 500 MJ de gaz riche + 65 m3
d’oxygène).
Des essais prometteurs ont été faits au HF1 de Lorfonte à Uckange.
4.2.1.5 Procédé PTM (Plasma Tuyère Minerai) de l’IRSID
Il s’agit par ce procédé [13] d’augmenter significativement la production du haut fourneau, par une méthode souple. On se propose
d’ajouter, à la production de fonte « normale », un supplément
provenant de l’injection de minerai aux tuyères. L’oxyde de fer du
minerai apporte de l’oxygène, ce qui permet de supprimer l’oxygène
de suroxygénation, mais sa réduction demande de l’énergie qui est
apportée par la torche à plasma. La figure 15 compare la tuyère
classique et la tuyère PTM. La faisabilité de l’injection de minerai a
été démontrée par un essai, sans emploi de torche, au HF2 de
Dunkerque, à raison de 23 kg/t de minerai par tonne de fonte.
4.2.2 Haut fourneau à oxygène
Le procédé développé par NKK a pour but l’injection massive de
charbon dans un haut fourneau soufflé à l’oxygène pur. La disparition
du ballast gazeux constitué par l’azote diminue la capacité d’échauffement du gaz et ne permet plus un réchauffage normal des matières
dans la cuve ; on pallie cet inconvénient par l’injection à mi-cuve de
gaz de gueulard à 1 000 oC. En injectant par tonne de fonte, aux tuyères, 300 kg de charbon avec 282 m3 d’oxygène et 45 m3 de gaz de
gueulard et à mi-cuve 300 m3 de gaz, on atteint une consommation
de coke de 250 kg. Le procédé a été testé dans un fourneau pilote
de 3,9 m3 [14].
4.3 Procédés alternatifs au haut fourneau
Nota : le lecteur pourra consulter l’article Nouvelles possibilités dans l’élaboration de
l’acier [M 7 550] dans le présent traité.
Les rigidités de fonctionnement, citées dans l’introduction, ont
conduit à imaginer des procédés capables de produire de la fonte
liquide en employant des matières premières moins élaborées
comme le charbon ou le minerai cru, dans des unités de capacité
modeste en comparaison de celle du haut fourneau. Par exemple,
une installation de 300 kt/an du procédé Corex, telle que celle en
service chez ISCOR depuis 1988, coûte (prospectus 1990 VAI-Corex )
250 US$ /t annuelle installée, alors que, d’après JO Edström [15],
l’ensemble cokerie, agglomération et haut fourneau coûterait aux
Figure 15 – Procédé PTM [13]
conditions de 1990 environ 300 $/t annuelle (pour 1 Mt de fonte par
an). Le prix de revient de la fonte du procédé Corex serait, d’après
le même prospectus, de 130 US$ (amortissement compris),
c’est-à-dire peu différent de celui de la fonte hématite du haut fourneau. Au vu de ces chiffres, il paraît bien que le futur de ce dernier
se fera, au moins partiellement, dans des appareils nouveaux de
fusion-réduction.
M 7 410 − 13
P
O
U
R
Haut fourneau
Conception et technologie
par
E
N
Maurice BURTEAUX
Ingénieur de l’École Centrale de Paris
Ancien Chef des hauts fourneaux de Longwy et Dunkerque
Bibliographie
Références de l’article
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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie
est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques
Doc. M 7 410 − 1
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Haut fourneau

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