Technologies pour améliorer les performances de fonctionnement des hauts fourneaux

Technologies pour améliorer les performances de fonctionnement des hauts fourneaux

Un haut fourneau (BF) est un investissement dans l'avenir. Par conséquent, il est nécessaire qu'il y ait le bon dimensionnement de tous les équipements, systèmes et composants ainsi que l'incorporation de technologies qui assurent la production et la qualité souhaitées afin d'obtenir des performances améliorées du haut fourneau. Cela est particulièrement vrai lorsque le haut fourneau est utilisé pour des réparations majeures. Lors des réparations majeures, l'incorporation de technologies pour l'amélioration des performances de fonctionnement des hauts fourneaux répond également aux nouvelles exigences imposées aux performances du haut fourneau, à la sécurité du personnel, à la réduction des exigences de maintenance et à la conformité environnementale.

Un défi majeur pour les opérateurs de hauts fourneaux a toujours été d'assurer un approvisionnement continu et fiable en métal chaud pour l'atelier de fusion d'acier avec une qualité uniforme et aux coûts les plus bas possibles. Toute interruption de la production de fonte peut entraîner des arrêts potentiels dans les installations de production et de traitement en aval. Les temps d'arrêt doivent être réduits au minimum tandis que la durée de vie de la campagne de hauts fourneaux doit être prolongée aussi longtemps que possible. Les fluctuations des paramètres de fonctionnement du haut fourneau doivent être évitées pour une qualité uniforme de la fonte, ce qui n'est possible que grâce à l'application de technologies appropriées ainsi qu'à des solutions sophistiquées d'automatisation et de contrôle de processus.

Il existe plusieurs technologies (Fig 1) qui, lorsqu'elles sont adoptées, améliorent considérablement les performances de fonctionnement du haut fourneau et augmentent son efficacité à la fois en termes de productivité et de consommation de combustible. Il en résulte une amélioration du taux de production de métal chaud par unité de volume de haut fourneau et une réduction de la consommation de coke BF. Certaines des principales technologies sont décrites ci-dessous.

Fig 1 Technologies pour améliorer les performances de fonctionnement BF

Augmentation du volume interne du four

En utilisant des technologies avancées pour le revêtement réfractaire du four et le refroidissement du four, il est possible de réduire l'épaisseur du revêtement dans le four pendant les réparations majeures du four tout en augmentant simultanément la durée de vie de la campagne du four. La réduction de l'épaisseur du revêtement entraîne une augmentation du volume interne du haut-fourneau entraînant une augmentation de la capacité de production du four. Cela donne également un profil de température du four constant tout au long de la campagne du four. Les réfractaires améliorés utilisés pour le revêtement réfractaire du four comprennent des réfractaires en alumine résistant à l'érosion dans la pile supérieure, des réfractaires en carbure de silicium dans le corps et le ventre, et des parois de foyer en carbone résistant à l'érosion avec un tampon en céramique. Pour le refroidissement du four, des douves en cuivre sont utilisées dans les zones à flux thermique élevé tandis que des douves en fonte sont utilisées dans d'autres zones. Les douves en fonte sont normalement à refroidissement indépendant.

Qualité de la charge ferreuse

Pour garantir un haut-fourneau perméable, essentiel pour un fonctionnement stable, il est important que la charge ferreuse soit solide, calibrée et efficacement tamisée pour éliminer les fines. Il ne doit pas trop se désagréger dans l'empilement, ce qui génère des fines supplémentaires. Il doit être suffisamment poreux, réductible et d'une taille appropriée pour permettre au matériau d'être suffisamment réduit au moment où il atteint la zone de ramollissement. De cette façon, la zone cohésive est moins contraignante, avec moins de laitier riche en FeO, et la charge thermique dans les régions basses du four est plus faible, favorisant le bon fonctionnement. Les exigences relatives aux propriétés physiques et métallurgiques de l'aggloméré, du minerai en morceaux calibré et/ou des boulettes pour un fonctionnement efficace doivent être respectées. Les propriétés de ramollissement et de fusion des composants ferreux ont un effet important sur le fonctionnement du haut fourneau. Les restrictions dans la zone cohésive et les mauvaises caractéristiques de fusion peuvent entraîner une descente erratique de la charge, un fonctionnement instable et des fluctuations thermiques.

Un aspect important à prendre en compte lors de la sélection des composants de charge individuels est leurs caractéristiques de ramollissement et de fusion. La majeure partie de la chute de pression à travers un haut fourneau se situe dans la région où la charge ferreuse se ramollit, fond et s'égoutte dans le lit de coke à travers lequel les gaz montent. Une large plage de fusion et de ramollissement entraîne une chute de pression accrue et une grande racine de zone cohésive empiétant sur la maçonnerie du puits inférieur.

Qualité du coca

Pour un fonctionnement stable du haut fourneau à des productivités raisonnables, un coke de bonne qualité est essentiel. C'est l'une des raisons les plus souvent citées pour une mauvaise période de fonctionnement. Le coke doit être solide et stabilisé, pour supporter le poids de la charge avec une panne mécanique minimale. Il doit être suffisamment grand et de taille réduite, avec un minimum de fines, pour créer un lit perméable à travers lequel les liquides peuvent s'égoutter dans le foyer sans restreindre les gaz ascendants. Une taille constante est nécessaire pour éviter les variations indésirables de perméabilité et pour soutenir le concept de variation de l'épaisseur de la couche de coke à travers le rayon du four pour contrôler l'écoulement radial du gaz. Le coke doit être suffisamment non réactif à la perte de solution (indice de réactivité du coke, IRC, valeur normale 20 % à 23 %), conserver sa résistance dans de telles conditions (force du coke après réaction, CSR, valeur normale 65 % à 68 %), et être faible teneur en alcalis pour minimiser la gazéification des alcalis dans le chemin de câbles, ce qui a un effet néfaste sur la dégradation du coke. Une faible teneur en soufre est également nécessaire pour minimiser le soufre du métal chaud. Les variations d'humidité et de teneur en carbone du coke doivent être contrôlées pour minimiser leur effet sur l'état thermique du procédé.

Le coke au centre du four remplace progressivement l'homme mort et le coke dans le foyer, qui doit rester perméable pour permettre aux liquides de s'écouler au centre du foyer. Ceci évite un écoulement périphérique excessif de métal chaud dans le foyer. Une augmentation des températures au centre du coussin de foyer est généralement observée avec une augmentation de la taille du coke d'homme mort, ce qui indique une activité accrue du centre du foyer. La taille d'ouverture des écrans à coke est un paramètre important pour maintenir la perméabilité du foyer. Il est généralement avantageux d'augmenter la taille de l'écran et de charger le petit coke supplémentaire résultant, mélangé à la charge ferreuse, loin de la ligne centrale du four.

L'objectif de la spécification d'un coke de haute qualité est de garantir que le gros coke atteigne les régions inférieures du four. Pour suivre cet objectif sur le long terme, il est conseillé de prélever ponctuellement du coke au niveau de la tuyère pour apprécier la dégradation du coke à travers le four. Ceci est généralement effectué lors de la maintenance planifiée, souvent en conjonction avec des changements de tuyère. Un grand échantillon de coke est ratissé à partir d'une ouverture de tuyère et ses propriétés sont comparées à un échantillon du coke d'alimentation correspondant.

Pour minimiser les variations thermiques et chimiques, une charge homogène est souhaitable. Les composants de la charge doivent être aussi intimement mélangés que possible. Cela dépend du nombre de composants de charge et du système de charge individuel, mais cela peut généralement être réalisé dans une mesure raisonnable en sélectionnant les trémies de stockage et la séquence de déchargement des matériaux.

Chargement de coke de noix

Un système de charge flexible permet l'utilisation de coke de noix. La taille du coke de noix disponible pour le chargement dépend de la taille et de l'efficacité des écrans de coke de haut fourneau au niveau de l'unité de tri de coke des batteries de four à coke, mais est généralement comprise entre 10 mm et 25 mm. Le chargement de coke de noix mélangé au matériau ferreux et positionné le long du rayon médian, améliore le fonctionnement en améliorant l'efficacité de réduction et la perméabilité de la couche de minerai dans la zone cohésive. Le chargement de coke de noix réduit également les températures du ventre. Le coke de noix est également chargé au mur, pris en sandwich entre les deux charges de minerai pour éviter une région de mur inactive lorsque le minerai fin est chargé au mur.

Répartition des charges

La répartition des charges est l'un des principaux facteurs qui non seulement affectent la stabilité de fonctionnement mais, en déterminant l'écoulement radial des gaz dans le four, c'est l'un des facteurs majeurs contrôlant la vitesse d'usure des parois du four. Afin d'obtenir un meilleur contrôle de la répartition de la charge dans la cheminée du haut fourneau et d'améliorer ainsi le contact gaz-solide et l'efficacité du combustible, plusieurs nouveaux développements ont été utilisés ces dernières années. Les deux types de système de distribution qui permettent un contrôle suffisant pour une productivité élevée sont le toit sans cloche utilisant une goulotte rotative inclinable et un système de chargement à cloche avec armure de gorge mobile.

Principalement, le flux de gaz radial est contrôlé par la proportion de charge ferreuse par rapport au coke, car le coke est généralement beaucoup plus volumineux. Ceci est plus facilement réalisé en chargeant le matériau en couches discrètes et en faisant varier l'épaisseur de la couche sur le rayon du four. La protection des parois du four est donc obtenue en augmentant la proportion de la couche de minerai au niveau de la paroi, ce qui se traduit par une quantité réduite de chaleur évacuée par le système de refroidissement des parois. Cependant, il y a une limite à la proportion de matériau ferreux près de la paroi du four, sinon une couche inactive se forme, ce qui peut favoriser la formation d'accrétions de paroi et permettre une charge non préparée dans les régions inférieures du four et augmenter les défaillances de la tuyère. La proportion de coke au centre du four doit être suffisante pour permettre un fonctionnement stable du four au niveau de production souhaité. Une grande proportion de coke crée une région relativement perméable avec moins de liquides descendants, permettant l'utilisation d'un volume de soufflage maximal sans grandes fluctuations de la pression de soufflage et une descente erratique de la charge.

Le coke au centre du four remplace le coke dans la sole et un centre perméable riche en coke favorise une sole perméable, qui relie l'écoulement de liquide à travers la sole. Cependant, la cheminée centrale à coke ne doit pas être inutilement large, sinon cela entraînerait une inefficacité et des dommages pourraient être causés à certaines parties du haut du four en raison de la capacité thermique excessivement élevée du gaz ascendant.

Chargement fractionné des matériaux

Des systèmes de distribution plus sophistiqués permettent un contrôle supplémentaire de la distribution de la charge en utilisant plus d'une gamme de tailles d'un matériau donné. L'une des pratiques les plus couramment utilisées est le chargement de matériaux ferreux fins, souvent à partir de cribles de la principale charge ferreuse. Les fines sont chargées séparément en petites quantités près de la paroi du four, pour donner une réduction localisée de la perméabilité et ainsi protéger les parois. Le chargement d'un petit lot séparé de matériau plus fin réduit normalement la capacité de chargement du four. Le chargement de petits lots avec une cloche et un système d'armure de gorge mobile entraîne moins de retards qu'avec un haut sans cloche en raison du temps de décharge réduit. Il peut être possible de charger de petites quantités de matériaux plus fins sur la paroi du four en les chargeant d'abord dans la trémie supérieure ou la grande trémie cloche et en utilisant l'angle de goulotte initial correspondant ou le réglage d'armure de gorge mobile. Cependant, la quantité est limitée par les caractéristiques de décharge de la trémie à celle qui traversera la trémie sans se mélanger avec le reste de la charge. Il existe également un avantage financier à utiliser directement ces fines ferreuses au lieu de les renvoyer pour être frittées à nouveau. De la même manière, la charge ferreuse peut être divisée en grandes et petites tailles qui sont ensuite chargées sur différentes parties du rayon du four pour contrôler la perméabilité radiale.

Fonctionnement à haute pression

L'un des facteurs limitants pour tenter d'augmenter le débit volumique du vent dans le haut fourneau est l'effet de soulèvement qui est provoqué par les grands volumes de gaz soufflant vers le haut à travers la charge. Cet effet liftant (le débit massique) empêche la charge de descendre normalement et provoque une perte plutôt qu'une augmentation de la production. Pour augmenter les taux de production au-dessus de la normale, le haut fourneau est équipé d'une vanne à septum dans le système de gaz supérieur pour augmenter la pression du gaz de sortie. Cette augmentation de pression comprime les gaz dans tout le système et permet de souffler une plus grande quantité d'air soufflé. A cette augmentation de la quantité d'air soufflé par minute correspond une augmentation de la cadence de production. De plus, cela supprime également la formation de SiO, ce qui entraîne une baisse de la teneur en silicium du métal chaud.

Lorsque la pression du gaz de tête est augmentée, la pression du souffle d'air d'admission doit également être augmentée proportionnellement. De plus, si la pression supérieure est augmentée, il est nécessaire d'utiliser un ventilateur plus grand, capable de fournir le volume de soufflage accru à la pression plus élevée. La coque de la fournaise, les coques du poêle, le dépoussiéreur, la laveuse primaire et les conduites de gaz doivent également avoir l'intégrité structurelle pour résister à la pression accrue. La vanne d'étranglement qui est utilisée pour augmenter la pression supérieure est située au-delà du laveur de gaz primaire où l'effet de sablage du gaz a été réduit en éliminant une grande partie de la poussière transportée par le gaz du four. La conduite d'eau de sortie de la laveuse principale doit être équipée d'un régulateur afin que la pression du gaz à l'intérieur de la laveuse ne détruise pas le joint hydraulique. Du gaz propre ou de l'azote est utilisé pour l'égalisation de la pression au niveau de l'équipement de chargement du four. Les fours avec des pressions maximales de 2 à 2,5 kg/cm² fonctionnent avec succès. Dans certains de ces fours, des turbines de récupération de pression supérieure sont utilisées pour récupérer une partie de l'énergie de compression et produire de l'électricité.

Température de souffle chaud

La température du vent chaud améliore le rendement énergétique du haut fourneau et permet des températures de four plus élevées, ce qui augmente la capacité des fours. Des températures élevées du vent chaud sont essentielles pour un fonctionnement efficace du haut fourneau car elles réduisent considérablement les besoins en coke du four et facilitent l'injection de combustibles auxiliaires tels que le charbon pulvérisé en remplacement du coke du haut fourneau. L'économie d'énergie totale possible par une combinaison de techniques est de l'ordre de 0,12 million de kcal/tonne de fonte. Il en résulte des coûts d'exploitation inférieurs car le taux de coke réduit de 2,8 % par augmentation de 100 °C de la température de soufflage lorsqu'il est maintenu entre 1000 °C et 1200 °C. De nombreux fours modernes fonctionnent à une température de soufflage chaud supérieure à 1300 °C. .

Enrichissement en oxygène du jet d'air chaud

Le but de l'enrichissement en oxygène dans le souffle est de contrôler la température de flamme adiabatique du chemin de roulement (RAFT), la génération de gaz de foyer et l'intensité de la fusion. Lorsque l'air de soufflage est enrichi en oxygène, il y a une augmentation du RAFT. Des températures de flamme élevées sont normalement incompatibles avec les matériaux de charge de qualité relativement faible et nécessitent des matériaux de charge de bonne qualité. D'autres températures de flamme élevées dues à l'enrichissement en oxygène doivent être contrôlées avec l'humidité du souffle et l'injection de combustible. Certaines opérations de four utilisent plus de 12 % d'enrichissement en oxygène. Pour chaque pourcentage d'oxygène supérieur à celui d'un jet d'air normal (environ 21 % d'oxygène), le taux de production augmente d'environ 2 % à 4 %. Dans les cas où les matériaux de charge ont une bonne réductibilité, c'est-à-dire qu'ils se réduiront rapidement, la température de la flamme peut être augmentée de manière significative et le rendement énergétique peut être amélioré. L'utilisation judicieuse de l'oxygène fournit un moyen de contrôler le débit massique du gaz bosh afin que le débit du four puisse être maximisé tout en contrôlant la qualité de la fonte.

Injection de carburant auxiliaire

Avec le développement de techniques pour augmenter les températures de souffle à chaud dans la plage de 1000 à 1300 degrés C et la nécessité de contrôler le RAFT en raison du type de matériaux de charge utilisés, il est devenu possible d'injecter des hydrocarbures dans le souffle. four à travers les tuyères pour contrôler la température de la flamme, augmenter le pouvoir réducteur du gaz de bosh et en même temps remplacer une partie du coke de haut fourneau. En présence de grandes quantités de coke, les combustibles hydrocarbonés ne peuvent brûler que du monoxyde de carbone et de l'hydrogène; par conséquent, ils produisent moins de chaleur que le coke qu'ils remplacent d'où un contrôle de la température de la flamme, mais le gaz réducteur qu'ils produisent est plus efficace que celui produit par la combustion du coke.

De nombreux combustibles différents ont été essayés :gaz naturel, gaz de cokerie, pétrole, goudron et charbon pulvérisé, voire des boues de charbon dans le pétrole. Le charbon pulvérisé est l'injectant le plus utilisé dans le haut fourneau à l'heure actuelle en raison de sa relative abondance et de son faible coût. Lorsque du charbon est utilisé, il est également introduit dans le jet d'air par une lance entrant dans le flux d'air par les côtés des chalumeaux. Il est très souhaitable que le charbon injecté soit complètement gazéifié et brûlé avant qu'il ne quitte le chemin de roulement juste à l'intérieur du four. Lors de l'injection de carburant, des précautions particulières sont nécessaires pour éviter l'accumulation de carburant dans le tuyau d'agitation ou le chalumeau et sa combustion ultérieure. Le processus d'injection de charbon pulvérisé est décrit ci-dessous.

La charge d'alimentation en charbon est acheminée vers une usine de préparation du charbon où les débris sont éliminés par tamisage et un aimant suspendu. Le charbon est ensuite broyé et simultanément séché dans un courant de gaz chaud ou dans une unité de broyage/séchoir combiné, suivi d'une extraction à travers le système au moyen d'un ventilateur à tirage induit. Le charbon avec la distribution granulométrique correcte du produit est aspiré à travers un séparateur de vitesse et capturé dans une unité de filtre à manches. Le produit final est criblé avant d'être transféré dans un silo de stockage. Une partie des gaz d'échappement est recyclée vers le générateur de gaz chauds au niveau de l'unité de broyage/sécheur. Cette fonction de contrôle garantit que la teneur totale en oxygène du gaz chaud, en contact avec le charbon, est maintenue en dessous de 12 % pour éliminer tout risque d'inflammation du charbon broyé. Le système d'injection de charbon est composé de trémies de verrouillage et d'unités d'injection. Le débit de charbon vers chaque tuyère peut être contrôlé indépendamment par un alimentateur mécanique. En variante, un système plus simple avec moins de précision de contrôle de débit vers chaque tuyère peut être fourni, en utilisant un système basé sur un séparateur. L'équipement pour PCI est assez robuste de nos jours avec une disponibilité supérieure à 98 % et des taux d'injection de charbon précis à 2 %.

Automatisation et contrôle

Le système d'automatisation et de contrôle de nos jours fournit la solution idéale pour tous les aspects du fonctionnement du four. Il s'agit notamment (i) du contrôle du haut du four sur les hauts de la benne ou de la courroie avec des schémas de chargement complexes et une répartition de la charge, (ii) un système de chargement en spirale unique pour le haut sans cloche afin d'augmenter la portion de fines qui peut être chargée, (iii) une maison de stockage contrôle des matériaux en lots séquentiels avec pesage « en vol » et stratification des matériaux, (iv) contrôle de l'épuration des gaz, (v) contrôle des poêles pour le fonctionnement cyclique, parallèle, parallèle à chevauchement et parallèle décalé de quatre poêles, (vi) commandes du système d'injection de charbon, (vii) l'exploitation et le contrôle de la fonderie, et (viii) les contrôles de l'usine de granulation des scories. Outre l'automatisation et le contrôle, il existe également des fonctionnalités pour la sécurité de l'usine et les séquences d'arrêt.

Pour assurer un fonctionnement de haut fourneau hautes performances à faible coût, les hauts fourneaux sont aujourd'hui équipés d'un système d'optimisation en boucle fermée. Ce système fonctionne sur la base de modèles de processus avancés, d'intelligence artificielle, d'applications logicielles améliorées, d'interfaces utilisateur graphiques et d'un savoir-faire opérationnel. D'excellentes performances de processus et des coûts de production nettement inférieurs sont obtenus dans les fours avec système d'optimisation en boucle fermée. Dans un système expert en boucle fermée, les principaux paramètres du haut fourneau à contrôler sont exécutés sans intervention de l'opérateur. Par exemple, le contrôle du taux de coke, de la basicité, du taux d'injection de vapeur et même de la répartition de la charge peuvent être exécutés simultanément et automatiquement en mode boucle fermée pour garantir des opérations de traitement stables et cohérentes à de faibles coûts de production. Le contrôle précis du haut fourneau est réalisé sur la base de modèles de processus avancés.

Le système de gestion des informations de processus fourni dans le haut fourneau actuel collecte, prépare et stocke toutes les données pertinentes pour une utilisation ultérieure.