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NOTE DE L'ÉDITEUR
La norme ISO 4695 du 15/08/2015 citée dans cet article a été remplacée par la norme ISO 4695 d'octobre 2021 : Minerais de fer pour charges de hauts fourneaux - Détermination de la réductibilité à partir de la vitesse de réduction
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN2111 (Décembre 2021).
RÉSUMÉ
La filière haut-fourneau–convertisseur à l’oxygène constitue la route métallurgique principale de production des aciers de haute qualité à forte valeur ajoutée. Elle repose sur l’utilisation de fer issu des minerais. Cet article passe en revue les propriétés et le comportement des différentes matières premières utilisées au haut fourneau (matières ferrifères, coke métallurgique, charbon, vent chaud), ainsi que des produits issus du haut fourneau (fonte liquide, laitier et gaz). Les mécanismes de formation de la fonte et du laitier sont détaillés, ainsi que le comportement de certains éléments enfournés en faible quantité mais nocifs pour le fonctionnement du haut fourneau (alcalins et zinc).
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Jean-Marc STEILER : Ingénieur Civil des Mines - Ancien chef du département Fonte-Acier à l'IRSID - Ancien directeur des Programmes R&D procédés, ArcelorMittal Global R&D - Maizières-lès-Metz, France
INTRODUCTION
La filière de production de l’acier à partir de charbon et de minerai de fer reste à l’échelle mondiale la voie principale de fabrication des aciers de haute qualité destinés aux applications les plus exigeantes en matière de propriétés d’emploi, notamment dans les domaines du transport, de l’énergie ou de l’emballage. Elle repose sur le haut-fourneau et le convertisseur à l’oxygène et représente près de 70 % de la production mondiale d’acier. La filière par recyclage de ferrailles au four électrique, dont le carnet produit monte progressivement en gamme de qualité, continue à se développer dans le monde occidental, notamment en raison d’un impact CO2 nettement plus faible que celui de la filière haut-fourneau-convertisseur. Une voie alternative de production d’acier à partir de minerai, passant par la préréduction au gaz dans un four à cuve, puis la fusion du préréduit au four électrique, poursuit son développement, mais à des niveaux de production beaucoup plus faibles que les deux autres voies.
La bonne maîtrise et la régularité de la qualité de la fonte (composition chimique, température) constituent des atouts majeurs de la filière haut-fourneau-convertisseur. En effet, les conditions réductrices du creuset du haut-fourneau, et les possibilités de transfert vers le laitier de certaines impuretés indésirables dans la fonte ou de partage des éléments entre la fonte et le laitier, offrent des moyens d’actions permettant de régler la qualité de la fonte et d’optimiser l’interface entre le haut-fourneau et l’aciérie. Les critères de qualité de la fonte s’adressent tant à sa composition chimique qu’à la régularité de cette dernière.
La qualité de la fonte et du laitier dépend en premier lieu de la qualité des matières premières enfournées, matières ferrifères et coke. Cette dépendance est devenue d’autant plus critique que la qualité des minerais et des charbons cokéfiants tend à se dégrader, ce qui nécessite une grande flexibilité vis-à-vis des matières premières. Par ailleurs, la maîtrise du comportement des éléments recirculants (alcalins, zinc) contenus à faible teneur dans les matières premières, mais générateurs de graves désordres de marche, est essentielle pour la régularité de la qualité de la fonte.
Les caractéristiques du vent chaud (température, pression, teneur en oxygène, vitesse) jouent un rôle majeur dans la distribution du gaz et des apports énergétiques dans la zone des tuyères. La productivité et la consommation énergétique du haut-fourneau dépendent dans une large mesure du réglage du point de fonctionnement de cette zone.
Les différents aspects contribuant à la qualité de la fonte sont abordés dans le présent article :
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propriétés et qualité des matières ferrifères et des combustibles solides chargés au haut-fourneau,
-
caractéristiques et qualité des charbons injectés aux tuyères,
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propriétés de la fonte liquide et du laitier,
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mécanismes de formation de la fonte et du laitier, et critères de qualité de la fonte,
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comportement des éléments nocifs recirculants (alcalins et zinc) et moyens de limiter leur impact négatif,
-
conditionnement du vent chaud et optimisation du point de fonctionnement des tuyères,
-
propriétés du gaz de gueulard et élimination des poussières.
La bonne compréhension de cet article nécessite la lecture préalable des articles [M 7 400] et [M 7 402]. Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire, ainsi qu’un tableau des symboles et des indices, utilisés tout au long de l’article.
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gaz haut-fourneau aggloméré boulettes coke vent chaud laitier fonte
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3. Charbon d’injection
La plupart des hauts-fourneaux pratiquent l’injection de charbon pulvérisé aux tuyères, en remplacement partiel du coke. Les motivations sont de nature économique, le différentiel de coût entre le charbon et le coke, et de nature technique, notamment la possibilité de fonctionner avec de hautes températures de vent, qui entraînent une diminution de la consommation d’agents réducteurs et la réduction des émissions de CO2, et avec, la suroxygénation du vent, favorable à la productivité.
Le charbon est finement broyé et séché avant son injection aux tuyères. Le charbon broyé présente généralement une granulométrie telle que 50 % se situe en dessous de 60 µm (figure 15). Les ultra-fins sont prohibés, car ils sont néfastes au transport pneumatique du charbon jusqu’aux cannes d’injection aux tuyères. Les charbons étant naturellement humides (5 à 8 %), il convient de les sécher (typiquement 1,2 % d'humidité), afin d’éviter le coût énergétique de la réduction de l’eau dans le haut-fourneau.
Les charbons d’injection sont classés selon leur teneur en matières volatiles : hauts volatils au-delà de 35 %, moyens volatils entre 12 et 30 %, et bas volatils en dessous de 12 % (tableau 9). La valeur d’usage du charbon au haut-fourneau se caractérise par son taux de remplacement, qui représente la quantité de coke remplacée par kg de charbon. Ce taux dépend essentiellement de l’humidité résiduelle et de la teneur en matières volatiles du charbon : il peut varier dans d’assez larges proportions, typiquement entre 80 et 90 %.
En résumé, les critères de qualité du charbon d’injection sont les suivants :
-
composition chimique, notamment la teneur en carbone, en cendres, les teneurs en S, P et K ;
-
teneur en matières volatiles ; une haute teneur en matières volatiles facilite la combustion dans la cavité mais pénalise le taux de remplacement ;
-
humidité résiduelle du charbon, souhaitée la plus basse possible, mais qui dépend de la capacité de séchage de l’installation ;
-
dureté du charbon, mesurée par l’indice Hardgrove (proportionnel à l’énergie nécessaire au broyage), et qui détermine...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CHAIGNEAU (R.) - Complex calcium ferrites in the blast furnace process. - PhD Thesis ; Delft University Press (1994).
-
(2) - BONNIVARD (J.), RIST (A.) - Étude expérimentale de la réduction d'agglomérés de minerai de fer par un gaz à contre-courant. - Revue de Métallurgie, n° 5, p. 401 (1962) ou Jon (R.), Offroy (C.), Renié (L.), Rist (A.), Schneider (M.), Steiler (J.M.). La réduction des minerais dans les fours à cuve, son étude au laboratoire dans un réacteur gaz-solide en contre-courant ; Revue de Métallurgie, n° 6, p. 503 (1976).
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(3) - BRILL-EDWARDS (H.), DANIEL (B.L.), SAMUEL (R.L.) - Structural changes accompanying the reduction of polycrystalline hematite. - J . Iron & Steel Institute, n° 4, p. 361 (1965).
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(4) - GREBE (K.), KEDDEINIS (H.), STRICKER (K.) - Untersuchungen über den Niedrigtemperaturzerfall von Sinter. - Stahl und Eisen, n° 100, p. 973 (1980).
-
(5) - HESS (E.), CLAIRAY (S.), LIBRALESSO (J.M.), LIN...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Fact Sage Integrated Data Base : base de données thermodynamiques d’espèces minérales ; outils de calculs en ligne de grandeurs de réactions, d’équilibres complexes multiphasés, de diagrammes de phases :
http://www.crct.polymtl.ca/factsage/fs_general.php
JANAF : table de données thermodynamiques d’espèces minérales ; calcul en ligne de grandeurs de réaction :
http://kinetics.nist.gov/janaf/
SGTE : Scientific Group Thermodata Europe : base européenne de données thermodynamiques d’espèces minérales ; calculs de grandeurs de réactions, d’équilibres complexes multiphasés, de diagrammes de phases :
FLUENT : outil de...
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