Utilisation de boulettes de minerai de fer dans le fardeau des hauts fourneaux

Utilisation de boulettes de minerai de fer dans la charge des hauts fourneaux

  La pelletisation est un processus qui consiste à mélanger des particules très finement broyées de fines de minerai de fer de taille inférieure à 200 mesh avec des additifs comme la bentonite, puis à les façonner en morceaux ovales/sphériques de 8 à 20 mm de diamètre par un pelletiseur et à durcir les boules par cuisson. avec un carburant. C'est le processus de conversion des fines de minerai de fer en « boulettes de minerai de fer de taille uniforme » qui peuvent être chargées directement dans un haut fourneau. La figure 1 montre des boulettes de minerai de fer.

Fig 1 Boulets de minerai de fer

Il existe plusieurs procédés/technologies de pelletisation du minerai de fer. Cependant, actuellement, le processus de grille mobile droite (STG) et le processus de four à grille (GK) sont des processus plus populaires.

Les propriétés physiques des boulettes de minerai de fer sont données ci-dessous.

•     Taille - 8-20 mm

•     pH (40 g/L, 20 deg C ; bouillie dans l'eau) : 5,0 - 8,0

•     Point de fusion :1 500 - 1 600 degrés Celsius

•     Densité apparente :  2,0 - 2,2 t/cum

•     Indice de culbutage (+6,3 mm) – 93-94 %

•     Indice d'abrasion (-0,5 mm) – 5-6 %

•     Résistance à la compression (daN/p) – Environ 250

•     Porosité – > 18 %

L'analyse chimique des boulettes de minerai de fer est donnée ci-dessous.

Classe BF                     Classe DRI

Fe                                         %         63 - 65,5                       65 -67,8

SiO2 + Al2O3                        %                                                                           <5

CaO + MgO                          %           Jusqu'à 3                      Jusqu'à 0,10

P, max                                  %              0,05                             0,05

S, max                                  %              0,01                             0,01

Basicité, min                          %              0,5

Désintégration (-3,15 mm)   %                                                  2

Indice de gonflement                      %            13-18

Réductibilité                           %                65

Différents tests normalisés ISO pour les granulés sont donnés dans l'onglet 1

Tab 1 Tests standard ISO utilisés pour les pastilles BF
Test de la norme ISO	Valeurs de mesure	Objectif
ISO 4700 /Résistance à l'écrasement	daN	Résistance à froid des granulés
ISO 3271 /Résistance au culbutage	Fractions +6,3 mm et -0,5 mm	Tendance à l'abrasion
ISO 13930 / Désintégration par réduction à basse température	Fraction +6.3, -3.15 et -0.5 mm	Tendance à la dégradation à basse température
ISO 4698 / Gonflement libre	Volume %	Augmenter la tendance au gonflement
ISO 4695 / Réductibilité	Taux de réduction à 40 % réduit	Réductibilité
ISO 7992 / Réduction sous charge	1. Taux de réduction à 40 % réduit	Réductibilité, Comportement ramollissement / fusion
	2. Perte de charge à 80 % réduite
	3. Retrait du lit réduit de 80 %

La qualité des boulettes est influencée par la nature du minerai ou du concentré, la gangue associée, le type et la quantité de fondants ajoutés. Ces facteurs se traduisent à leur tour par la variation des propriétés physico-chimiques des phases coexistantes et leur distribution au cours de l'induration de la pastille. Par conséquent, les propriétés des pastilles sont largement régies par la forme et le degré de liaison obtenus entre les particules de minerai et la stabilité de ces phases de liaison lors de la réduction des oxydes de fer dans le haut fourneau. Étant donné que la formation de phases et la microstructure pendant le durcissement dépendent du type et de la quantité de fondants ajoutés, il y a un effet des fondants en termes de rapport CaO/SiO2 et de teneur en MgO sur la qualité des granulés.

Historique de l'utilisation des boulettes de minerai de fer dans les hauts fourneaux

  L'histoire des granulés a commencé en 1912 lorsque A.G. Andersson, un Suédois, a inventé une méthode de granulation.

L'utilisation commerciale des pellets a cependant commencé aux États-Unis après la Seconde Guerre mondiale. Diverses études ont été menées dans le but de développer les vastes réserves de taconite dans la région des Grands Lacs. En 1943, le Dr Davis, professeur à l'Université du Minnesota, Mines Experiment Station, a inventé une méthode de traitement de la taconite contenant du minerai de fer à faible teneur. Son processus consistait à broyer la taconite pour éliminer les gangues et à valoriser le minerai de fer (c'est-à-dire un processus d'enrichissement du minerai). Le minerai à haute teneur résultant se présente sous la forme de fines particules, aussi petites que 0,1 mm ou moins, qui ne conviennent pas au frittage. Cette problématique a conduit au développement de la granulation de ces fines particules. Les usines de bouletage jouent aujourd'hui un rôle important à une époque où la réserve mondiale de minerai en morceaux à haute teneur diminue. Les usines favorisent la concentration du minerai à faible teneur en boulettes améliorées, qui sont de plus en plus utilisées par les hauts fourneaux et les fours à réduction directe.

La fabrication du fer aux États-Unis a toujours été basée dans une large mesure sur les boulettes, principalement parce que tous les minerais de fer locaux avaient besoin d'être enrichis (up grading) en les broyant en fines particules (<0,1 mm) et en agglomérant ces fines en boulettes, mais aussi parce que les usines d'agglomération sont non utilisé pour des raisons environnementales.

Les boulettes de minerai de fer sont maintenant la principale source de fer pour les hauts fourneaux nord-américains. Les pellets constituent environ 70 % de la charge du haut fourneau. Au départ, des pastilles acides (grades DRI) étaient produites et utilisées dans les hauts fourneaux.

Au milieu des années 1980, un certain nombre d'essais de bouletage et de haut-fourneau ont été menés pour évaluer les avantages des boulettes de calcaire dolomitique fluxées. Vers la fin de la décennie, les granulés fluxés s'étaient solidement établis en tant que produit majeur, représentant environ 30 % de la production de granulés en Amérique du Nord.

La transition vers les granulés fluxés a impliqué de nombreux changements dans l'équipement de l'usine (par exemple, les broyeurs de flux, les brûleurs de préchauffage) et les pratiques. Chaque usine de granulés a personnalisé la chimie des granulés fluxés pour répondre au fonctionnement du haut fourneau de son client. En conséquence, il existe des usines de granulés produisant jusqu'à quatre qualités de granulés. En Amérique du Nord, les granulés sont passés d'un produit de base au début des années 1970 à un produit sur mesure, répondant aux spécifications les plus exigeantes d'un client dans les années 1990. Les granulés fluxés nord-américains sont désormais équivalents aux meilleurs frittés en termes de réductibilité et de propriétés de fusion ramollissantes et sont supérieurs en termes de résistance et de dégradation à basse température (LTD/RDI).

Avantages des pellets

  Les granulés de minerai de fer peuvent être utilisés comme substitut au frittage et au minerai en morceaux calibré dans la charge du haut fourneau en raison des propriétés suivantes.

• La forme sphérique et les pores ouverts des granulés offrent une perméabilité meilleure et uniforme, ce qui permet un fonctionnement plus fluide du four. Les granulés ont une plage de taille uniforme généralement comprise entre 8 et 20 mm.
• Les granulés ont une résistance à l'écrasement à froid très élevée, ce qui entraîne une génération négligeable de fines dans l'entrepôt.
• Une porosité élevée (supérieure à 18 %) entraîne une réduction plus rapide
• La haute résistance de la pastille (environ 250 daN/p ) offre une bonne résistance à la désagrégation lors de la descente de charge. Il a un meilleur indice de culbutage par rapport au minerai de fer calibré.
• Composition chimique uniforme par rapport au minerai en morceaux calibré. L'absence de LOI est un autre avantage des pellets.

L'indice de gonflement des pastilles est une propriété métallurgique importante. Le gonflement indique un changement de volume des pastilles pendant la réduction. L'expansion volumique des granulés pendant la réduction entraîne une diminution de la résistance à la compression des granulés. Un gonflement élevé à l'intérieur du four provoque une augmentation du volume de la palette qui à son tour diminue les vides en charge. Cela empêche le flux de gaz dans le four et entraîne une chute de pression. Cela provoque à son tour des charges suspendues et glissant à l'intérieur du haut fourneau. L'ajout de dolomie est favorable à l'amélioration de la propriété de gonflement des granulés. Le gonflement maximal admissible des granulés pour le haut fourneau varie de 16 % à 18 %. Les granulés acides (granulés DRI) et les granulés sans MgO présentent un gonflement plus élevé.

Les granulés fluxés peuvent être produits comme équivalents au meilleur aggloméré en termes de réductibilité et de propriétés de fusion adoucissantes et sont supérieurs en termes de résistance et de dégradation à basse température (LTD/RDI). Les granulés fluxés présentent une bonne résistance, une réductibilité améliorée, des caractéristiques de gonflement et de fusion ramollissantes. En raison de ces propriétés, les granulés fluxés offrent de meilleures performances dans le haut fourneau.

Métaux dans la charge BF

L'aggloméré, les boulettes et les minerais en morceaux calibrés sont les trois métaux ferreux normalement utilisés dans la charge du haut fourneau. Les utilisations des trois métaux dans la charge des hauts fourneaux peuvent varier de zéro à cent pour cent avec l'ajustement des paramètres du four. Ces trois métaux peuvent être utilisés dans n'importe quelle combinaison de deux ou trois métaux. Il n'y a pas de formule standard pour le choix des métaux. Le choix des métaux dépend de plusieurs facteurs variant d'une usine à l'autre. Certains des facteurs influençant le choix des métaux sont indiqués ci-dessous.

• Disponibilité du matériau métallique de spécification correcte
• Propriétés métallurgiques des matériaux métalliques telles que la réductibilité, les propriétés de décrépitation thermique et les propriétés d'adoucissement
• Coût relatif du matériau métallique
• Effet de l'utilisation de métal sur le coût de production global de métal chaud
• Possibilité de réglage de divers paramètres du four tels que le modèle de distribution, le taux de combustible, etc.
• Possibilité d'ajustement des paramètres de contrôle de processus
• Installations disponibles dans l'entrepôt du four
• Disponibilité de l'usine d'agglomération captive
• Type de minerai de fer disponible dans la mine captive ou à proximité du haut fourneau
• Problèmes liés au bon fonctionnement du BF sans s'accrocher ni glisser
• Problèmes liés à l'environnement

Les granulés dans les hauts fourneaux peuvent être utilisés de 0 % à 100 %. Il n'existe pas de solution standard pour augmenter la teneur en granulés dans la charge du haut fourneau. Chaque site et chaque four aura des problèmes différents qui doivent être identifiés, analysés et des solutions doivent être trouvées pour arriver à la quantité maximale de granulés qui peut être utilisée dans la charge BF. L'objectif doit toujours être d'avoir un fonctionnement sans problème du haut fourneau au coût de production le plus bas possible pour la fonte.