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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,
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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,
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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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MOTS-CLÉS
gaz haut-fourneau aggloméré boulettes coke vent chaud laitier fonte
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9. Gaz
9.1 Évolution du gaz dans le haut-fourneau
Le gaz produit aux tuyères à la température de flamme (2 000-2 300 °C) est refroidi de manière continue jusqu’à la température de gueulard (100-150 °C) au cours de son mouvement ascendant sous l’effet des échanges thermiques et chimiques à contre-courant avec la charge. En moyenne, le temps de séjour moyen du gaz dans la charge est de l’ordre de 8 à 12 s, ce qui, pour un haut-fourneau de 25 m de hauteur utile (distance tuyères-gueulard), correspond à une vitesse de l’ordre de 2 à 4 m/s. Selon les conditions de chargement, le temps de séjour du gaz au centre du haut-fourneau peut être plus faible, de l’ordre de 4 à 5 s .
Au niveau des tuyères, le gaz est constitué de CO (∼ 40 %), H2 (5-10 % selon l’injection de charbon) et d’azote (50-55 %) (tableau 18). Le gaz ascendant s’enrichit d’abord en CO sous l’effet de la réduction directe (réaction de Boudouard), puis en CO2 et H2O dans la zone de réduction indirecte. Dans la partie supérieure, la quantité de CO2 et de H2O peut évoluer par décomposition des carbonates et des hydrates. Entre le niveau des tuyères et celui du gueulard, le volume de gaz augmente en raison de la réaction de Boudouard et des réactions de décomposition des hydrates et des carbonates.
L’azote étant inerte dans la traversée du haut-fourneau, son bilan permet de relier la production de gaz de gueulard à la consommation de vent aux tuyères :
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BIBLIOGRAPHIE
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(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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