Le laitier et son rôle dans la fabrication du fer dans les hauts fourneaux

Les scories et leur rôle dans la fabrication du fer dans les hauts fourneaux

Le haut fourneau (BF) est le plus ancien (plus de 700 ans) des différents réacteurs utilisés dans les aciéries. Il est utilisé pour la production de fonte liquide (métal chaud). Le haut fourneau est un réacteur complexe à contre-courant à haute température et a la forme d'un puits dans lequel les matériaux contenant du fer (minerai, aggloméré/granulé) et le coke sont chargés en alternance par le haut avec des matériaux fondants (calcaire, dolomie, etc.) pour créer une charge en couches dans le four. L'air préchauffé est insufflé depuis la partie inférieure du four à travers des tuyères. Cet air chaud réagit avec le coke pour produire des gaz réducteurs. La charge de minerai descendante (oxydes de fer) est réduite par les gaz réducteurs ascendants et est fondue pour produire du métal chaud. Les matériaux de gangue et les cendres de coke fondent pour former des scories avec les matériaux fondants. Les produits liquides (métal chaud et scories) sont vidangés (taraudés) du four à certains intervalles par le trou de coulée. La qualité de la fonte fondue obtenue est dépendante de la formation du laitier et de ses transformations minéralogiques. Un laitier de bonne qualité est nécessaire pour une fonte de qualité. Le laitier est un mélange de composés chimiques à bas point de fusion formé par la réaction chimique de la gangue de la charge ferreuse et des cendres de coke avec les fondants de la charge. Tous les composés non réduits tels que les silicates, les aluminosilicates et l'aluminosilicate de calcium, etc. rejoignent également le laitier.

Il est bien connu que les composants du laitier à savoir la silice (SiO2) et l'alumine (Al2O3) augmentent la viscosité alors que la présence d'oxyde de calcium diminue la viscosité. La zone de fusion du laitier détermine la zone cohésive du haut fourneau et, par conséquent, la fluidité et les caractéristiques de fusion du laitier jouent un rôle majeur dans la détermination de la productivité du haut fourneau. Au départ, des scories riches en fer se forment et, par la suite, en raison de l'assimilation de l'oxyde de calcium (CaO) et de l'oxyde de magnésium (MgO) à partir des flux, la composition des scories varie. Lors de son ruissellement, le laitier assimile SiO2 et Al2O3 des cendres, issues de la combustion du coke. Le processus de ruissellement dépend de la fluidité (faible viscosité) du laitier, qui est en outre régie par sa composition et sa température.

Le laitier doit avoir l'affinité pour absorber les impuretés, c'est-à-dire la gangue de charge ainsi que d'autres impuretés délétères qui affectent la qualité du métal chaud. Il est essentiel de connaître le comportement du laitier en termes de composition chimique, de constitution minéralogique et de sa capacité à réagir et à piéger les impuretés mineures. De plus, le laitier doit s'écouler librement à la température de fonctionnement avec une séparation laitier-métal élevée sans piéger le métal. Ainsi, les différentes propriétés du produit final sont directement influencées par la composition du laitier. Ainsi les propriétés physicochimiques du laitier jouent un rôle important dans le fonctionnement du haut fourneau.

Le laitier final de haut fourneau produit lors de la production de métal chaud est principalement considéré comme un mélange des quatre oxydes, à savoir (i) SiO2, (ii) Al2O3, (iii) CaO et (iv) MgO. Les composants mineurs du laitier comprennent (i) l'oxyde ferreux (FeO), (ii) l'oxyde de manganèse (MnO), l'oxyde de titane (TiO2), les alcalis (K2O et Na2O) et les composés soufrés. Il existe quatre types de scories avec des compositions distinctes produites dans différentes régions à l'intérieur du haut fourneau. (Fig. 1). Ce sont (i) les scories primaires, (ii) les scories de bosh, (iii) les scories de tuyère et (iv) les scories finales. Ces quatre types de scories sont respectivement générés dans (i) la zone cohésive, (ii) la zone d'égouttage, (iii) le chemin de roulement et (iv) le foyer. C'est le laitier final qui est coulé et donc pour un bon coulage il faut qu'il ait une bonne fluidité (faible température de liquidus et faible viscosité).

Fig 1 Types de scories BF et régions de leur génération

Pour le bon fonctionnement du haut fourneau, le laitier doit satisfaire aux conditions suivantes.

• Le volume des scories doit être aussi faible que possible.
• Le laitier doit avoir la capacité d'éliminer les alcalis,
• C'est pour répondre aux exigences de la désulfuration.
• La composition du laitier primaire doit être uniforme.
• La formation de laitier doit être confinée à une hauteur limitée du haut fourneau et le laitier doit être stable.
• Le laitier doit assurer une bonne perméabilité dans la zone de formation du laitier.
• Le point de fusion du laitier ne doit être ni trop élevé ni trop bas.
• Le laitier final doit être suffisamment fluide pour qu'il soit possible de le drainer par le trou du robinet,

Les couches de matériaux contenant du fer commencent à se ramollir et à fondre dans la zone cohésive sous l'influence des fondants à la température régnante, ce qui réduit considérablement la perméabilité des couches qui régule le flux de matériaux (gaz/solide) dans le four. C'est la zone du four liée par le ramollissement des matériaux contenant du fer en haut et la fusion et l'écoulement de ceux-ci en bas. Une température de ramollissement élevée couplée à une température d'écoulement relativement basse formerait une zone cohésive étroite plus bas dans le haut fourneau. Cela diminuerait la distance parcourue par le liquide dans le four en diminuant la prise de silicium. D'autre part, le laitier final qui ruisselle dans la région de bosh jusqu'au foyer du four doit être un laitier court qui commence à couler dès qu'il se ramollit. Ainsi, le comportement de fusion est un paramètre important pour évaluer l'efficacité du laitier BF.

La fluidité du laitier dans un haut fourneau affecte le comportement de ramollissement-fusion dans la zone cohésive, la perméabilité dans la partie inférieure d'un four due à la rétention de liquide dans la zone d'égouttement, l'écoulement du liquide dans la sole du four et la capacité de drainage des le laitier à travers le trou du robinet. Cela affecte également sa capacité de désulfuration. La fluidité du laitier est affectée par la température et la composition, cette dernière étant influencée par les minéraux de la gangue du minerai et les cendres du coke et du charbon pulvérisé.

Les scories de haut fourneau appartiennent principalement à trois systèmes de scories, à savoir (i) le système tertiaire de CaO– Al2O3–SiO2, (ii) système quaternaire de CaO– Al2O3–SiO2– MgO, et (iii) système quinaire de CaO– Al2O3–SiO2– MgO– TiO2. Généralement, la principale région de fonctionnement du laitier de haut fourneau pour une bonne fluidité dans le diagramme de liquidus du système quinaire (SiO2-Al2O3-CaO-MgO-TiO2) est la phase de mélilites (solutions solides d'akermanite, Ca2MgSi2O7, et de gehlénite, Ca2Al2SiO7).

La composition du laitier de haut fourneau a une incidence très importante sur ses caractéristiques physico-chimiques qui affectent le degré de désulfuration, la douceur de fonctionnement, la manipulation du laitier, la consommation de coke, la perméabilité aux gaz, le transfert de chaleur, la productivité du métal chaud et sa qualité, etc. Les propriétés du laitier qui affectent le plus sont viscosité, capacité de sulfure, capacité d'alcali et température de liquidus. Ces propriétés ont une grande influence sur le processus global du haut fourneau. La viscosité du laitier est fortement influencée par la composition chimique, la structure et la température.

La viscosité du laitier est une propriété de transport liée à la cinétique de la réaction et au degré de réduction du laitier final. La viscosité du laitier détermine également l'efficacité de la séparation laitier-métal, et par conséquent le rendement en métal et la capacité d'élimination des impuretés. En fonctionnement, la viscosité du laitier est révélatrice de la facilité avec laquelle le laitier pourrait être soutiré du four, et est donc liée au besoin énergétique et à la rentabilité du procédé.

Si les commandes du four ont la capacité de prédire la viscosité du laitier et la température du liquidus, elles ont le potentiel d'optimiser l'analyse et le contrôle de la prise de décision pendant le fonctionnement du haut fourneau. Dans ce cas, il remplace l'utilisation de règles empiriques relatives aux compositions de scories. Pour cela, plusieurs efforts ont été faits dans le passé pour mesurer et modéliser les viscosités pour différents systèmes de scories.

Le laitier liquide peut être classé comme un fluide newtonien, la viscosité de cisaillement étant indépendante du taux de cisaillement, et donc appelé viscosité dynamique. La viscosité est largement influencée par la liaison et le degré de polymérisation, SiO2 et Al2O3 contribuant à des viscosités plus élevées avec leurs liaisons hautement covalentes. En revanche, les monoxydes tels que CaO et MgO présentent un comportement ionique, conduisant à la destruction des chaînes de silicate et à l'abaissement de la viscosité. Cela n'est vrai que pour le système à phase de laitier liquide, et dans le système multiphase, une augmentation des monoxydes conduit à des activités plus élevées des phases solides et à une éventuelle précipitation de solides, ce qui augmente la viscosité effective (observée).

Dans une opération typique où il est possible de modifier la composition du laitier, les modifications de la composition ont généralement des effets opposés. Par exemple, l'obtention d'une viscosité plus faible à des basicités plus élevées sera probablement associée à l'effet néfaste d'une température de liquidus accrue. En plus des effets sur les propriétés physico-chimiques, la basicité du laitier influence également la capacité d'élimination du soufre (et dans une certaine mesure du phosphore) du laitier et la teneur en silicium du métal chaud. Des basicités plus élevées entraînent des teneurs en soufre plus élevées dans le laitier et des teneurs en silicium plus faibles dans le métal.

Les scories à faible teneur en Al2O3 ont généralement une faible viscosité, une capacité de sulfure élevée et une faible température de liquidus ainsi qu'un volume de laitier inférieur à celui des scories à teneur élevée en Al2O3 avec Al2O3 normalement supérieur à 15 %. Les scories à teneur élevée en Al2O3 se rencontrent principalement dans les hauts fourneaux indiens en raison du rapport élevé Al2O3/SiO2 dans le minerai de fer ainsi que dans l'aggloméré et de la forte teneur en cendres du coke. Ces scories ont des viscosités élevées.

La viscosité du laitier liquide est déterminée principalement par sa température et sa composition chimique. La dépendance à la température de la viscosité sur une plage de température donnée est généralement décrite par l'équation d'Arrhenius comme indiqué ci-dessous.

N =A exp (E/RT)

Où

N =viscosité du laitier

A =Terme pré-exponentiel

E =Énergie d'activation du flux visqueux

R =Constante des gaz

T =Température absolue

Les scories silicatées sont constituées de cations Si4+ qui sont entourés de 4 anions oxygène disposés sous la forme d'un tétraèdre régulier. Ces tétraèdres SiO4 4- sont réunis en chaînes ou en anneaux en pontant l'oxygène. L'écoulement visqueux dans les scories dépend de la mobilité des espèces ioniques dans le système, qui, à son tour, dépend de la nature de la liaison chimique et de la configuration des espèces ioniques. Les forces interioniques dans le cas des scories dépendent de la taille et de la charge des ions impliqués. Ainsi, il est naturel de s'attendre à ce que des forces interioniques plus fortes conduisent à une augmentation des viscosités. Dans le cas de silicates fondus à forte teneur en silice, les anions polymères provoquent une viscosité élevée. Avec l'augmentation des concentrations d'oxydes métalliques, les liaisons Si-O se rompent progressivement et la taille du réseau diminue accompagnée d'une baisse de la viscosité des scories. Il a été démontré que l'ajout d'oxydes alcalins jusqu'à 10-20% en moles entraîne une chute drastique des viscosités due à la dépolymérisation.

Dans le cas des laitiers de hauts fourneaux, l'alumine est toujours présente et les groupements AlO4 5- forment des unités polymères avec SiO4 4-. Dans les scories contenant CaO-MgO-SiO2-Al2O3, l'alumine augmente la viscosité comme le fait la silice. En revanche, la chaux et la magnésie, les fournisseurs d'oxygène, ont l'effet inverse sur la viscosité.

La viscosité des scories dépend de la composition et de la température. Une faible viscosité aide non seulement à gouverner les vitesses de réaction par son effet sur le transport des ions dans le laitier liquide vers et depuis l'interface de réaction laitier/métal. Il assure également un bon fonctionnement du haut fourneau. Une augmentation des oxydes basiques et celle de la température au-dessus de la température de liquidus du laitier diminuent la viscosité. Dans le cas du système CaO-MgO-SiO2-Al2O3, l'alumine et la silice ne sont pas équivalentes sur une base molaire dans leur effet bien que toutes deux augmentent la viscosité de ces masses fondues. L'effet de l'alumine sur la viscosité dépend de la teneur en chaux du laitier. En effet, Al3+ ne peut remplacer Si4+ dans le réseau silicate que s'il est associé à 1/2 Ca2+ pour préserver la neutralité électrique.

Le comportement de fusion du laitier est décrit en termes de quatre températures caractéristiques à savoir (i) la température de déformation initiale (IDT) symbolisant l'adhérence de surface, importante pour le mouvement du matériau à l'état solide, (ii) l'état solide (ST) symbolisant le plastique distorsion, indiquant le début de la déformation plastique, (iii) la température hémisphérique (HT), qui est également la température de fusion ou de liquidus, symbolisant l'écoulement lent, jouant un rôle important dans l'aérodynamique du four et le transfert de chaleur et de masse, et (iv ) la température de départ (FT) symbolisant la mobilité du liquide.

Le laitier formé dans la zone cohésive est le laitier primaire qui est formé avec FeO comme constituant fondant primaire. La température solidus, la température de fusion, l'intervalle solidus-fusion sont significativement affectés par FeO. Ce laitier est complètement différent du laitier final où le fluxage est principalement dû à la présence de constituants basiques comme CaO ou MgO. S'il n'est pas possible d'obtenir du laitier primaire du haut-fourneau, il est toujours possible de préparer en laboratoire un laitier synthétique ressemblant au laitier primaire et d'étudier ses caractéristiques d'écoulement. Le laitier final est un laitier avec une petite différence entre le ST et le FT. Un tel laitier acquiert une mobilité liquide et ruisselle dans le four loin du site où il commence à se déformer plastiquement, dès que possible. Cette action expose de nouveaux sites pour une réaction ultérieure et est censée être responsable de l'augmentation des taux de réaction laitier-métal, influençant les opérations du haut fourneau et la qualité du métal.

La caractéristique d'écoulement des scories de haut fourneau est fortement influencée par l'ampleur de la réduction de l'oxyde de fer à basse température (dans la zone granulaire) en plus d'être influencée par la composition, la qualité et la quantité de la gangue dans les matériaux contenant du fer. Le rapport CaO/SiO2 et la teneur en MgO du laitier de haut fourneau influencent fortement ses propriétés d'adoucissement-fusion. La disponibilité de MgO plus tard dans le processus se traduit souvent par une petite plage de température de la zone cohésive, ce qui entraîne une meilleure perméabilité du lit qui, à son tour, influence la consommation de coke et la qualité du métal chaud produit.

L'augmentation d'Al2O3 dans le minerai de fer affecte non seulement la résistance de l'aggloméré, mais également ses caractéristiques à haute température dans la zone cohésive. La concentration en Al2O3 dans le laitier est considérée comme un facteur dégradant la fluidité du laitier et augmentant la température du liquidus. Les effets d'une teneur élevée en alumine dans le laitier sont les suivants.

• Le laitier à haute teneur en alumine a une viscosité élevée pour une basicité constante (CaO/SiO2). Cependant, avec une augmentation des oxydes basiques et celle de la température au-dessus de la température de liquidus du laitier, la viscosité du laitier à haute teneur en alumine diminue dans une certaine mesure.
• Les scories d'alumine plus élevées ont une plus grande tendance à la réduction du silicium et il y a une tendance à l'augmentation du niveau de silicium du métal chaud.
• La teneur en soufre de la fonte a tendance à augmenter avec l'augmentation de la teneur en alumine du laitier. Par conséquent, le laitier à haute teneur en alumine contribue à une désulfuration moins efficace.
• La chute de pression dans la zone d'égouttement augmente à mesure que la concentration d'Al2O3 dans le laitier augmente. Même si le rapport CaO/SiO2 augmente, la perte de charge dans la zone d'égouttement augmente.

L'effet détériorant d'une teneur élevée en alumine dans le laitier est compensé par l'augmentation de sa teneur en MgO. La concentration en alumine dans le laitier est semi-empiriquement fixée dans de nombreux pays à la limite supérieure d'environ 16 % afin d'éviter l'accumulation du laitier de fer et la détérioration de la perméabilité dans la partie inférieure du haut fourneau.