Principales considérations de conception pour les hauts fourneaux et leurs équipements auxiliaires

Aspects importants de la conception du haut fourneau et des équipements associés

La conception du haut fourneau (HF) proprement dit et de ses équipements associés et auxiliaires (Fig. 1) situés immédiatement en amont et en aval du fourneau est cruciale pour son fonctionnement efficace. Outre le fourneau lui-même, les équipements immédiatement associés comprennent : (i) la halle de chargement, (ii) les équipements de chargement, (iii) le sommet du fourneau, (iv) le système de refroidissement, et (v) les équipements de la zone de coulée.

La production de fer au haut fourneau repose sur un système composé de plusieurs éléments fonctionnant en synergie. La bonne application et l'exploitation de ces composants sont nécessaires pour soutenir le processus de réduction. Le choix des composants spécifiques dépend de facteurs tels que les conditions existantes, les contraintes physiques, les exigences de production, le coût, le planning, la fiabilité et la maintenabilité. L'interdépendance des composants est aussi importante pour le succès du système que leurs capacités individuelles. Il existe des exigences majeures et des « pratiques normales » pour chaque domaine ou composant, ainsi que des technologies alternatives commercialement disponibles présentant des avantages et inconvénients inhérents.

Le haut fourneau transforme le minerai de fer en fer liquide (fonte). S'y associent les batteries de fours à coke qui transforment le charbon en coke, et les usines d'agglomération et de pelletisation qui préparent le minerai. Le HF convertit ces matières premières préparées en un produit à plus forte valeur ajoutée. La fonte issue de certains HF alimente des fonderies pour la production de pièces en fonte. D'autres produisent une fonte à faible teneur en silicium convertie en acier en aciérie. Une partie est transformée en fonte de coulée continue sur machines de coulée de lingots. Les sous-produits sont les scories, le gaz de gueulard, les poussières de fumée et les gâteaux de filtration. Leur impact économique peut être positif ou négatif selon les possibilités locales de valorisation.

Plusieurs aspects influencent toute conception ou reconception de HF : (i) la rentabilité, (ii) la santé et la sécurité des employés, (iii) la protection de l'environnement, (iv) les réglementations légales, (v) les besoins du marché et de l'aval, (vi) les ressources humaines, de construction et de maintenance disponibles, (vii) l'évolution technologique et l'obsolescence des équipements, (viii) les matières premières, énergies et autres matériaux disponibles, etc. Toute contrainte sérieuse sur l'un de ces aspects peut mettre en péril la viabilité de l'unité HF (voire de l'usine sidérurgique) ou imposer la construction d'un nouveau fourneau.

Classification par taille des hauts fourneaux

Les HF sont généralement regroupés par taille. Les mini-HF produisent moins de 1 500 t de fonte/jour (tF/j), les petits HF entre 2 500 et 5 000 tF/j, les moyens entre 6 000 et 8 000 tF/j, et les grands HF entre 9 000 et 12 000 tF/j. Dans une aciérie intégrée, le nombre et la taille des HF doivent couvrir les besoins en fonte pour la production d'acier. Les usines avec plusieurs HF sont moins impactées lors de rechargements ou de problèmes de conduite. Les petits HF ont des rechargements plus courts et sont considérés plus faciles à exploiter, mais leur coût de production est plus élevé. L'usine doit exploiter le nombre minimum de fourneaux rentables ; dans certains cas, des mises à niveau visent à réduire ce nombre.

Les HF sont rechargés périodiquement après la fin de leur campagne (durée entre deux rechargements). Autrefois, cela ne concernait que le revêtement interne en briques. Aujourd'hui, on effectue simultanément une reconstruction extensive des composants, leur remplacement et la maintenance préventive. Avec cette pratique, les usines efficaces dotées de quelques grands HF perdent un pourcentage plus élevé de production lors des rechargements que celles avec plusieurs petits fourneaux. Pour concilier faible coût d'exploitation et interférence minimale lors des rechargements, l'industrie œuvre à maximiser la durée des campagnes et à réduire la durée des rechargements. La tendance actuelle est d'exploiter moins de grands fourneaux et d'utiliser des techniques et conceptions prolongeant la campagne indéfiniment.

Parallèlement, la réduction de la variabilité du produit est devenue cruciale, d'où des investissements dans l'automatisation pour améliorer la surveillance et le contrôle du processus. Opérateurs, personnel de maintenance, concepteurs et chercheurs appliquent technologies modernes et méthodes analytiques pour mieux monitorer et contrôler le processus. Résultat : l'écart-type de la qualité de la fonte a diminué. Les systèmes améliorés de collecte de données fournissent plus d'informations aux fournisseurs et fabricants, améliorant la sélection des matériaux et la conception des HF et équipements associés. Les durées de campagne sont passées de 5 à 10 ans à environ 20 ans aujourd'hui.

La sidérurgie au haut fourneau est une technologie vieille de plus de 430 ans. Pourtant, la fonte de HF reste la méthode la plus courante dans les aciéries intégrées pour produire de l'acier. Les processus modernes dépendent du HF pour fournir des quantités prévisibles et planifiées de fonte de qualité constante. Toute variation dans l'approvisionnement impacte gravement le reste de la production. Le HF demeure donc un processus clé dans les aciéries intégrées modernes.

On entend parfois que la technologie du HF est en fin de vie. Ce n'est pas le cas. L'étude de données d'exploitation sur 23 ans (1970-1993) d'une paire type de HF de taille moyenne montre une augmentation moyenne de productivité de 3 % par an (Fig. 2a) et une réduction moyenne du taux de combustible de 1 % par an (Fig. 2b). La durée productive entre rechargements (campagne) s'est allongée grâce aux améliorations d'équipements, matériaux et conception. Ainsi, le coût global de production de la fonte, corrigé de l'inflation, s'est amélioré encore plus que ne le montrent les données d'exploitation. La technologie du HF n'est pas morte ; elle progresse encore considérablement dans tous les domaines. Le HF reste aujourd'hui une science dynamique soutenue par des technologies en constante amélioration.

Implantation du haut fourneau

L'implantation d'un HF consiste à intégrer les équipements nécessaires à la manutention des différentes matières pour produire la fonte et gérer les produits et sous-produits. La conception la plus efficace prend en compte l'ensemble du processus et son efficacité se juge au regard de l'investissement initial et des coûts d'exploitation continus. L'implantation dépend de facteurs tels que : (i) la topographie du site, (ii) les conditions climatiques, (iii) le mode de livraison des matières premières, (iv) les systèmes et emplacements de traitement des matières premières dans l'usine, (v) les systèmes et emplacements de traitement en aval, (vi) les besoins en quantité/débit de fonte, (vii) le type et la taille de la flotte de transport de la fonte, etc. La Fig. 3 montre une implantation simplifiée d'une usine à haut fourneau.

Une usine à HF comprend généralement plusieurs sections : (i) stockage, manutention et reprise des matières premières, (ii) halle de chargement, (iii) système de chargement, (iv) fourneau proprement dit, (v) halle de coulée, (vi) traitement et manutention des scories, (vii) manutention de la fonte, (viii) réchauffeurs à air chaud et système d'air chaud, (ix) usine d'épuration du gaz, (x) utilités, (xi) système d'automatisation et de contrôle, (xii) installations de maintenance, (xiii) installations pour le personnel.

Stockage et manutention des matières premières

Les matières premières (minerai de fer, aggloméré, pellets, fondants, charbon, coke, etc.) proviennent de sources externes ou sont produites dans l'usine intégrée. Elles nécessitent un stockage contrôlé suffisant pour soutenir les opérations du HF. Une capacité de stockage est nécessaire pour faire face aux interruptions prévisibles ou imprévisibles des livraisons. Une capacité supplémentaire peut être requise en cas de changement de source de certaines matières. Des emplacements de stockage séparés sont nécessaires pour des matériaux aux caractéristiques physiques ou chimiques différentes, car leur mélange peut causer des problèmes de contrôle du processus ou métallurgiques. Les tas doivent être séparés pour éviter les mélanges, posés sur des aires préparées pour permettre aux opérateurs de distinguer le matériau principal des impuretés, disposés pour minimiser la dégradation et l'envol de fines par le vent. Des arrosages et agents de confinement peuvent limiter l'envol de poussières.

Plusieurs techniques existent pour le dépôt et la reprise : déchargement de wagons, ponts roulants, convoyeurs d'empilage, racleurs pour le dépôt ; récupérateurs à godets, récupérateurs à bande, chargeuses frontales, racleurs, reprise directe depuis le fond de silos ou tas pour la reprise. Il est évident que les systèmes de dépôt et reprise doivent être dimensionnés pour assurer le débit nécessaire à l'usine HF.

Halle de chargement

La halle de chargement est l'unité de stockage de l'opérateur du HF pour l'alimentation directe en charge du fourneau. Des silos de stockage sont prévus pour chaque matériau de charge. Des silos individuels sont prévus pour des matériaux similaires (aggloméré, pellets) aux propriétés métallurgiques différentes. La halle assure une capacité adéquate pour les divers matériaux de charge en cas d'interruption à court terme de l'approvisionnement depuis les zones de stockage des matières premières. Les capacités de débit typiques des silos, en cas de perte d'alimentation, sont : (i) coke – 2 à 8 heures, (ii) matières ferreuses (minerai, aggloméré, pellets) – 4 à 16 heures, (iii) fondants et autres matériaux divers – 8 à 24 heures. Ces capacités sont basées sur la production nominale du fourneau et varient selon la fiabilité et le délai d'accès pour leur remplacement depuis le stock ou un fournisseur.

Les matériaux de charge se dégradent sous l'effet des conditions climatiques et des manipulations répétées. Plus le nombre de manipulations est élevé (stockage, reprise, déchargement, chutes de convoyeurs, godets de ponts roulants, etc.), plus le pourcentage de fines dans la charge augmente. Le processus HF nécessite une perméabilité contrôlée, donc une charge contrôlée. Le chargement de fines excessives, soit normalement tout au long de la charge, soit concentré sur de courtes périodes, peut perturber le processus et endommager les équipements. La halle offre la dernière opportunité raisonnable d'éliminer les fines avant le chargement dans le fourneau. Lorsque possible, des cribles vibrants sont installés après les silos de coke, minerai, aggloméré et pellets pour éliminer la majeure partie des fines, qui sont récupérées pour recyclage. Certains opérateurs chargent des fines dans des zones spécifiques du fourneau pour ajuster la perméabilité locale et contrôler les charges thermiques sur les parois.

Des hygromètres sont fréquemment installés dans la halle pour surveiller les quantités réelles d'eau chargées dans le fourneau. Cette information permet d'ajuster les quantités de charge pour compenser les conditions ambiantes variables (ex. : humidité du coke plus élevée en période de pluie).

Comme différents types et quantités variables de matériaux de charge sont nécessaires pour soutenir le fonctionnement continu du HF, ces matériaux doivent être fournis dans une séquence spécifique (pouvant changer fréquemment pour s'adapter aux paramètres de conduite variables). La halle doit donc être équipée d'installations fiables pour extraire et doser avec précision les matériaux de charge spécifiques selon un planning précis. La Fig. 4 montre une disposition simplifiée des équipements dans la halle.

Historiquement, le type de halle le plus courant était le type « highline » (à niveau haut), situé directement adjacent au fourneau. Des wagons ou ponts roulants alimentent les silos, qui alimentent directement un chariot peseur mobile. Un opérateur contrôle manuellement la vanne de décharge du silo pour alimenter en quantités précises la trémie pesée du chariot. Après avoir collecté les types et quantités appropriés, l'opérateur déplace le chariot au-dessus de la « fosse à benne » et verse la charge, via une goulotte, dans une benne d'attente. La benne est ensuite hissée au sommet du fourneau.

Ce type de halle, associé à un chariot peseur, offrait peu d'options pour le criblage de la charge ferreuse (minerai, aggloméré, pellets). Avec l'accroissement des connaissances sur le processus HF, des exigences plus strictes pour la charge se sont développées. Le concept de « charge élaborée » (engineered burden) est bien reconnu aujourd'hui. On admet généralement que la halle highline a des limites de flexibilité et d'adaptabilité pour soutenir cette exigence. Elle a donc été remplacée par la halle automatisée à convoyeurs pour l'alimentation en matières de charge.

La halle automatisée se décline en deux types distincts. Le premier remplace le chariot peseur sous les silos par un système d'alimentateurs et de convoyeurs à bande. Des convoyeurs séparés sont prévus pour chaque type de matière (coke, matières ferreuses, fondants et additifs) sur lesquels sont montées des rangées de silos, avec des alimentateurs vibrants pour décharger les matériaux vers les convoyeurs. Pour le coke et les matières ferreuses, un crible vibrant est situé à la sortie de chaque convoyeur pour cribler le matériau et alimenter les trémies de pesée. Ce système continue d'alimenter des trémies de pesée devant les bennes.

Le second type est une grande structure de silos construite entièrement hors sol et assez éloignée du HF. Cela se fait généralement pour les HF où un convoyeur à bande transporte la charge au sommet du fourneau au lieu des bennes. Le remplissage des silos se fait normalement par un système de convoyeurs à bande. Les matières sont extraites des silos par des alimentateurs vibrants et convoyeurs à bande vers des trémies de pesée, qui déchargent sur le convoyeur principal via un convoyeur de collecte. Les trémies de pesée sont programmées pour doser les matières dans l'ordre correct sur le convoyeur principal vers le sommet du fourneau.

Une halle automatisée permet une alimentation plus efficace en matières premières, une sélection, un criblage, un pesage et une livraison de la charge plus performants. Elle peut être située adjacente au fourneau alimentant la benne, ou à distance pour un chargement par convoyeur.

L'automatisation a considérablement augmenté la capacité de production, amélioré l'efficacité d'exploitation et éliminé les variances dues aux opérateurs et équipements. Toutefois, une halle moderne automatisée peut être assez complexe. Elle peut être alimentée par des convoyeurs qui déchargent sur des convoyeurs de distribution vers divers silos. La disposition des convoyeurs et équipements peut être agencée de nombreuses façons. Le placement de la halle adjacente au fourneau entraîne souvent une congestion d'implantation et limite la flexibilité pour de futures modifications.

Système de levage

Les matériaux de charge sont normalement hissés au sommet du HF par des bennes ou par convoyeur à bande.

Levage par bennes

L'utilisation de bennes pour HF vient de l'industrie minière. Les bennes sont dimensionnées selon le débit du fourneau. Plusieurs facteurs comme la capacité du treuil, la conception du pont de bennes, etc., influencent ou contraignent la taille des bennes.

Normalement, deux bennes fonctionnent en opposition (pour réduire la puissance de levage) sur un treuil commun. Elles circulent sur rails sur un pont incliné à 60-80° par rapport à l'horizontale. La benne pleine accélère lentement en quittant la fosse, puis accélère au maximum pour la majeure partie de la montée. Le treuil la ralentit à l'approche du sommet. Les roues sont guidées par les rails de basculement et de corne lors du basculement dans l'équipement de chargement au sommet. Lorsque la benne de montage atteint et s'arrête à la position finale de basculement, la benne vide (descendant à la même vitesse) atteint juste le fond de sa course dans la fosse, en attente de remplissage. Le système de chargement par bennes est une technique fiable et efficace pour livrer la charge au sommet. Cependant, il manque de flexibilité : les bennes ne peuvent contenir qu'une quantité spécifique (la surcharge cause un sur-remplissage ou des surcharges au treuil) ou devient inefficace si de petits volumes de charge spécifique sont nécessaires. La Fig. 5 montre le schéma du levage par bennes.

Convoyeur de chargement du fourneau

Avec la convoyérisation de la halle est venue celle du système de levage. Il est désormais courant que les halles soient situées à distance du fourneau et qu'un grand convoyeur à bande transporte la charge au sommet. Si le sommet est à environ 60 m de haut, un convoyeur incliné à 8° nécessite que la halle soit à au moins 427 m du fourneau. Des inclinaisons plus raides sont évitées pour minimiser le recul du matériau. Il est normal de charger les matériaux divers directement après la fin d'une charge ferreuse sur le convoyeur pour maintenir les matériaux ferreux en place jusqu'au sommet.

Système de chargement au sommet du fourneau

Le fourneau proprement dit fonctionne sous pression positive élevée au sommet. Le gaz de HF (monoxyde de carbone, dioxyde de carbone, azote) est généré par le processus avec de grandes quantités de poussières entraînées. L'opérateur doit maintenir la pression au sommet pour les bénéfices du processus et pour contenir gaz et poussières (pour leur valeur calorifique et pour des raisons environnementales). Cependant, il doit régulièrement introduire de la charge dans le sommet sans perdre la pression.

Sommet à clochettes

Pendant plusieurs années, le type de sommet le plus courant a été le sommet à deux clochettes (Fig. 6). La charge arrivant au sommet (par benne ou convoyeur) tombe dans une trémie de réception puis dans la petite clochette. Celle-ci (fonte conique ~2,6 m de diamètre, 1,4 m de haut pour un HF de 5 000 tF/j) s'abaisse et laisse la charge tomber dans la grande clochette. La petite clochette remonte et scelle contre un siège fixe. Selon le volume de la grande clochette, des charges supplémentaires sont séquencées par la petite clochette. La grande clochette reste fermée, scellant le fourneau. Lorsque le nombre correct de charges est collecté, la grande clochette (fonte conique ~5,5 m de diamètre, ~3,5 m de haut pour 5 000 tF/j) s'abaisse et laisse la charge glisser le long de la clochette dans le fourneau. Après déchargement, la grande clochette remonte et scelle sous la trémie de la grande clochette.

Le contrôle de la répartition de la charge avec ce type de sommet est limité par la régularité du dépôt sur la grande clochette (le déchargement de benne donne un dépôt inégal) et les courbes de chute des matériaux spécifiques (coke ou charge ferreuse) lorsqu'ils glissent et tombent de la grande clochette. De plus, le sommet à deux clochettes est sensible aux pertes d'étanchéité des clochettes et du garnissage entre la tige de la grande clochette et le tube de la petite. Les fuites proviennent de l'abrasion par les matériaux glissant sur les surfaces d'étanchéité. La fuite au garnissage de tige résulte de l'abrasion par les fines provenant soit de l'intérieur du fourneau, soit se déposant sur la tige après déchargement dans la trémie de réception.

Pour minimiser l'usure de la surface d'étanchéité de la grande clochette, du gaz de HF prélevé dans le fourneau est introduit entre les clochettes pour égaliser l'espace (réduisant la différence de pression à travers la surface d'étanchéité). Ce gaz est évacué vers l'atmosphère avant l'ouverture de la petite clochette pour introduire plus de charge. Certaines options pour améliorer les limitations du système à deux clochettes sont présentées ci-dessous.

Distributeur McKEE

Le distributeur McKEE (Fig. 6) a été pendant plusieurs années la principale amélioration de répartition de charge pour le sommet à deux clochettes, mais il est rapidement remplacé par d'autres technologies. Sa conception permet de faire tourner la petite clochette et sa trémie ensemble pendant le déchargement de la benne. La charge est répartie uniformément dans la trémie de la petite clochette, améliorant ainsi le dépôt uniforme sur la grande clochette. Ce type de sommet reste sensible à l'usure des clochettes et à la perte d'étanchéité qui en résulte.

Sommet à distributeur rotatif universel CRM

Le distributeur rotatif universel CRM (Centre Recherches Métallurgiques – Belgique) (Fig. 6) a été développé pour éliminer la perte d'étanchéité de la petite clochette. Deux clochettes (une clochette d'étanchéité et une clochette de matériau) remplacent la petite clochette normale. Une trémie de charge tournante est montée sur la clochette de matériau. La clochette d'étanchéité est située sous la clochette de matériau et scelle contre un siège fixe. Pendant le déchargement de la benne, la trémie et la clochette de matériau fermée tournent pour remplir uniformément la trémie. Une fois le remplissage terminé, la rotation s'arrête. Au moment de décharger sur la grande clochette, la trémie tournante, la clochette de matériau et la clochette d'étanchéité s'abaissent. La clochette d'étanchéité descend sous le siège fixe. À mi-parcours, la descente de la trémie s'arrête et les deux clochettes continuent jusqu'à leur position d'arrêt. À l'ouverture de l'espace entre la clochette de matériau et la trémie, la charge se décharge uniformément dans la trémie de la grande clochette. En quittant l'espace, la charge ne contacte pas la surface d'étanchéité de la clochette d'étanchéité, préservant ainsi la capacité d'étanchéité du sommet. Ce type de sommet peut maintenir 0,2 MPa de pression interne.

Le sommet CRM améliore la capacité d'étanchéité et la longévité du sommet à deux clochettes. Il n'apporte cependant pas d'amélioration spectaculaire de la répartition de charge par rapport au distributeur McKEE et n'élimine pas la vulnérabilité de la surface d'étanchéité de la grande clochette.

Sommet à sas GHH

Le sommet à sas GHH (Fig. 6) modifie le sommet à deux clochettes. Il réduit la dépendance à la grande clochette pour maintenir l'étanchéité au gaz. L'ajout de sas avec soupapes d'étanchéité séparées pour chaque position de déchargement de benne fournit une capacité d'étanchéité supplémentaire. La grande clochette peut fonctionner sans différence de pression à travers sa surface d'étanchéité (pression au sommet = pression dans la trémie de la grande clochette). Le fonctionnement est le suivant :

1. Une benne décharge sa charge dans le sas via une trémie de réception et une soupape d'étanchéité ouverte.
2. La charge est placée sur la petite clochette tournante et remplit uniformément la trémie de distribution tournante au-dessus.
3. Un joint entre le sas et la trémie de la petite clochette est ouvert pendant la rotation.
4. Une fois le déchargement terminé, la soupape d'étanchéité et le joint entre sas et trémie sont fermés.
5. Du gaz d'égalisation est introduit et le sas est mis à la pression du sommet.
6. La petite clochette s'abaisse pour introduire la charge dans la trémie de la grande clochette.
7. La petite clochette se ferme et la pression du sas est évacuée vers l'atmosphère.
8. La soupape d'étanchéité du côté opposé (autre position de déchargement) est ouverte.
9. Le joint entre sas et trémie est ouvert. La rotation de la petite clochette et trémie recommence. Le sommet peut maintenant accepter la charge de l'autre benne.

Ce type améliore l'étanchéité et la longévité du sommet à deux clochettes. Le sommet à sas n'apporte toutefois pas d'amélioration spectaculaire de la répartition par rapport aux sommets McKEE ou CRM. Bien que la grande clochette n'assure plus la fonction d'étanchéité, la longévité de l'étanchéité de la petite clochette reste critique.

Blindage mobile

L'étape majeure pour améliorer la répartition de charge du sommet à clochettes a été le développement du blindage mobile (Fig. 7). Des déflecteurs réglables sont installés dans la zone de la gorge pour dévier la charge après qu'elle a glissé de la grande clochette. Le blindage mobile est ajusté selon le matériau de charge spécifique déchargé et l'endroit où l'opérateur souhaite placer la charge dans le fourneau.

Plusieurs fabricants proposent différents types de blindage mobile. Des segments individuels peuvent être déplacés uniformément (simultanément et équitablement) à l'intérieur du fourneau pour placer la charge selon un motif annulaire. D'autres types permettent un contrôle individuel des plaques pour obtenir des motifs de répartition non circulaires.

Inconvénients du blindage mobile : (i) la majorité des composants mécaniques et d'usure se trouve dans l'environnement hostile du cône supérieur du fourneau, (ii) une perte de volume de travail interne est nécessaire pour assurer un jeu entre le blindage mobile et le niveau de charge théorique (bien que cette zone ne puisse être classée comme zone de productivité brute pour le volume de travail), (iii) capacité limitée à dévier la charge vers le centre exact du fourneau, particulièrement quand le niveau de charge est déjà élevé. La caractéristique de roulement des pellets annule fréquemment le déplacement limité du blindage mobile.

Système de chargement sans clochette (Bell Less Top – BLT)

Au début des années 1970, Paul Wurth S.A. (Luxembourg) a développé le système de chargement sans clochette (BLT) (Fig. 7). Ce type de sommet rompt radicalement avec le sommet à clochettes. La charge peut être placée dans le fourneau selon n'importe quel motif requis par l'opérateur : anneaux, spirales, secteurs, placement ponctuel sont des motifs courants réalisables par l'inclinaison et la rotation synchronisées ou indépendantes d'une goulotte de répartition située dans le cône supérieur.

L'étanchéité du sommet est maintenue tout au long de la campagne. Les opérations de maintenance sont simples et de courte durée. Un BLT comprend typiquement : une goulotte ou trémie de réception (recevant la charge des bennes ou convoyeur), un sas avec soupapes d'étanchéité supérieure et inférieure, une vanne de contrôle de débit de matériau, un réducteur principal de la goulotte (unité refroidie à l'eau ou au gaz pour la rotation et l'inclinaison de la goulotte), et la goulotte de répartition. Il existe trois types principaux de BLT : (i) trémie parallèle, (ii) alimentation centrale, (iii) type compact.

Le type parallèle intègre généralement deux sas (installés sur certains fourneaux pour le débit et la sécurité ; un type « excentrique » à un sas a été installé pour une application à dégagement restreint). Depuis le début des années 1980, plusieurs HF ont choisi le type « alimentation centrale » à un sas pour ses améliorations en matière de ségrégation de charge et de contrôle de répartition, résultant en une meilleure conduite du fourneau.

Un type « compact » de BLT a été développé pour les petits et moyens fourneaux afin de permettre l'introduction du BLT (et de ses avantages) sur des fourneaux où les autres types plus grands ne peuvent être utilisés pour des raisons de coût ou de contraintes physiques. Les étapes de fonctionnement d'un BLT à alimentation centrale sont : (i) la charge est déchargée d'une benne ou convoyeur via une goulotte ou trémie de réception passée une soupape ouverte dans le sas, (ii) après réception, la soupape supérieure se ferme et du gaz d'égalisation est introduit pour mettre le sas à la pression du fourneau, (iii) la soupape inférieure s'ouvre, (iv) la charge se décharge du sas alors que la vanne de matériau est réglée sur l'ouverture présélectionnée pour le matériau spécifique, (v) la chute verticalement à travers le bec d'alimentation avec le réducteur principal et tombe sur la goulotte de répartition, (vi) la goulotte dirige la charge vers le(s) point(s) requis dans le fourneau, (vii) lorsque le sas est complètement vidé (surveillé par cellules de charge et/ou surveillance acoustique), la soupape inférieure se ferme, (viii) une soupape de décharge s'ouvre pour évacuer le sas vers l'atmosphère (ou via un récupérateur d'énergie), (ix) la soupape supérieure s'ouvre et la séquence se répète.

Les avantages du BLT sur les autres systèmes incluent : capacité de pression au sommet plus élevée (0,25 MPa), économie de combustible, augmentation de production, conduite plus stable, maintenance réduite en coût et temps, allongement de la campagne, et meilleur contrôle opérationnel avec des taux d'injection de charbon élevés aux tuyères.

Système de chargement de type Gimbal

Le but du système de chargement Gimbal est de faciliter la répartition contrôlée des matériaux de charge dans le HF via une goulotte oscillante de type Gimbal à travers une trémie de retenue et une ouverture de vanne de matériau variable, permettant au système de chargement sous pression au-dessus de fonctionner indépendamment du système de répartition. Il utilise une goulotte de répartition conique, supportée par des anneaux dans un arrangement Gimbal, produisant une inclinaison indépendante et combinée de l'axe de la goulotte. Le distributeur Gimbal, comme partie du système global de chargement au sommet, offre une solution de chargement entièrement intégrée, générant une amélioration considérable de l'exploitation et des coûts de maintenance du HF. Le système Gimbal utilise une goulotte de répartition conique, supportée par des anneaux dans un arrangement Gimbal, produisant une inclinaison indépendante et combinée de l'axe.

Le sommet Gimbal intègre une gamme complète d'équipements de répartition au sommet : basculeurs de répartition, soupapes d'étanchéité supérieures, trémies, soupapes inférieures, vannes de débit et ensembles de vannes à œil, le tout déchargeant via des goulottes de répartition à entraînement hydraulique. La goulotte inclinable est entraînée par deux vérins hydrauliques montés à 90° l'un de l'autre. Cette suspension et cet entraînement ne produisent pas une rotation de la goulotte, mais un chemin circulaire par superposition des deux mouvements d'inclinaison. Le fonctionnement indépendant ou combiné des vérins permet de diriger l'axe de la goulotte vers n'importe quel angle, voire le long de n'importe quel trajet. Le mouvement est fourni par deux vérins hydrauliques, chacun opérant via un arbre, une bielle et un joint universel pour entraîner les anneaux Gimbal. Par le mouvement des vérins, la goulotte permet une répartition précise avec un potentiel de motifs de chargement infinis à vitesses variables : anneau, spirale, centre, point, secteur, offrant un contrôle complet du chargement dans le fourneau.

L'ensemble du distributeur est enfermé dans un boîtier étanche au gaz, monté directement sur la bride supérieure du cône supérieur du HF. Le boîtier contient une goulotte d'entrée fixe et une goulotte de répartition inclinable supportée par des anneaux Gimbal permettant l'inclinaison indépendante et combinée de l'axe. L'assemblage combine aciers inoxydable et carbone, la goulotte d'entrée fixe et le corps de la goulotte inclinable étant revêtus de céramique pour une protection supérieure contre l'usure. Un circuit fermé de refroidissement à l'eau alimente les arbres principaux, paliers Gimbal et paliers de joints universels pour refroidir les éléments mobiles du système de répartition Gimbal.

Les caractéristiques clés de la conception Gimbal sont : (i) conception simple et robuste, utilisant des leviers entraînés par vérins hydrauliques, (ii) vérins d'entraînement montés hors de l'enveloppe sous pression, donc non soumis aux conditions chaudes et poussiéreuses, (iii) arrangement Gimbal donnant un mouvement d'inclinaison simple dans deux plans, qui superposés donnent une répartition à 360°, (iv) l'usure de la goulotte inclinable est égalisée sur sa circonférence, donnant une longue durée de vie opérationnelle.

Le sommet Gimbal HF est un système de chargement sous pression automatisé, commandé par ordinateur, conçu pour : (i) recevoir des charges de minerai, coke et matériaux divers dans la trémie de retenue, indépendamment du système de répartition en dessous, (ii) libérer ces décharges, selon les besoins, vers une goulotte de répartition dynamique située sous la trémie, (iii) répartir le matériau selon des motifs prescrits vers la ligne de charge du fourneau conformément à une matrice de chargement prédéterminée. Le contrôle de la goulotte Gimbal est entièrement intégré au logiciel global de chargement du fourneau. Le système offre un haut niveau de précision et de contrôle pour les mouvements Gimbal et donc le positionnement de la goulotte. Le distributeur Gimbal est montré Fig. 8.

Fourneau proprement dit

Le fourneau proprement dit est le réacteur principal du processus de réduction au HF. Ses revêtements internes sont conçus pour soutenir le processus interne. Ses enveloppes externes sont conçues pour fournir les systèmes nécessaires pour contenir, maintenir, surveiller, soutenir et ajuster le processus interne.

Le processus HF est un processus à contre-courant. Il comprend : (i) la charge à conditions ambiantes est placée au sommet sur la colonne de charge dans le fourneau, (ii) au fur et à mesure de sa descente avec la colonne, elle est chauffée, chimiquement modifiée et finalement fondue, (iii) d'autres modifications chimiques se produisent avec le matériau fondu, (iv) les produits fondu sont extraits près du bas, (v) la fusion et l'extraction entraînent la descente de la colonne et la nécessité de recharger au sommet, (vi) l'air chaud est introduit par les tuyères près du bas, (vii) les gaz de HF sont générés devant les tuyères et remontent à travers la charge, la modifiant chimiquement ainsi qu'eux-mêmes, en se modifiant et refroidissant, (viii) le gaz de HF (et poussières) est extrait près du sommet, (ix) la chaleur est extraite du vaisseau dans toutes les directions (principalement par le système de refroidissement des revêtements) et avec le gaz, le fer liquide et les scories. La Fig. 9 montre une coupe transversale et les types de HF.

Type de fourneau

Les fourneaux sont construits pour être supportés par manteau ou autoportants. Les HF à support par manteau ont caractéristiquement un anneau de rive (manteau) situé au bas du bas-fourneau. Le manteau est supporté par des colonnes sur la fondation principale. Le creuset, la joue de tuyère et le bosse sont aussi supportés par la fondation. Les fourneaux à support par manteau ont tendance à avoir un accès restreint et une flexibilité réduite pour les améliorations au niveau du manteau, bosse et joue de tuyère.

La dilatation thermique étant une considération majeure dans la conception de l'enveloppe, le style à support par manteau présente une considération de conception intéressante. Les colonnes de support du manteau sont relativement froides. Le manteau tend à maintenir une hauteur constante tout au long de la campagne par rapport à la fondation. La dilatation thermique de la gueuse due à la chaleur du processus est considérée comme basée au manteau « fixe » (le sommet du fourneau s'élève par rapport au manteau). La hauteur effective des enveloppes de bosse, joue de tuyère et parois du creuset (supportées sur la fondation) augmente du fait de la dilatation thermique causée par la chaleur du processus. La partie inférieure du fourneau se soulève vers le manteau fixe. D'où la nécessité d'un joint de dilatation de quelque type au raccord bosse/manteau ou quelque part dans la partie inférieure.

Les fourneaux autoportants ont été développés pour éliminer les colonnes et permettre l'installation d'équipements majeurs et d'améliorations de refroidissement. Ce type a une enveloppe plus épaisse pour le support structurel. L'installation et la maintenance d'un système de refroidissement et de revêtement fiable sont nécessaires pour assurer la longévité structurelle de l'enveloppe.

Deux variantes de fourneau autoportant ont été utilisées. L'un prévoit une tour de support structurel distincte pour porter le système d'évacuation des gaz et les charges de chargement/levage. L'autre (bien qu'utilisant une tour de support distincte pour le remplacement de l'enveloppe lors des rechargements) utilise le fourneau proprement dit pour supporter le système d'évacuation et les charges de chargement/levage. Une attention particulière à la conception de l'enveloppe est requise quel que soit le type. Le vaisseau est soumis à des pressions internes du vent, gaz, charge, fer et scories liquides. Charges mortes et vives pendant tous les stades d'exploitation, maintenance et rechargement doivent être considérées.

Zones du fourneau

Les zones majeures du fourneau sont : (i) cône supérieur, (ii) gorge, (iii) gueuse, (iv) manteau/ventre, (v) bosse, (vi) joue de tuyère, (vii) parois du creuset, (viii) fond du creuset, (ix) fondation.

Cône supérieur

Le cône supérieur ou dôme est la partie la plus haute du fourneau. Il supporte l'équipement de chargement au sommet et le système de collecte du gaz de gueulard. Des tiges de niveau (enregistreurs ou jauges de niveau de charge) sont normalement placées ici pour surveiller le niveau supérieur de la charge. Ces dispositifs fournissent les signaux permissifs ou d'indication pour charger la prochaine charge programmée. Typiquement, ce sont des poids abaissés par treuils spéciaux, ou des unités micro-ondes. Certains fourneaux intègrent des émetteurs et détecteurs d'isotopes radioactifs montés dans la gorge pour surveiller le niveau de charge. Une caméra infrarouge peut être installée dans le cône pour surveiller la distribution de température du gaz de gueulard s'échappant de la ligne de charge.

Le cône est la zone la plus froide du fourneau mais peut être exposé à des températures extrêmement élevées en cas de « glissement » de charge (descente rapide et non contrôlée après une période d'absence inhabituelle de descente). La charge nouvellement chargée tombe à travers cette zone et le gaz de gueulard est évacué de cette section.

Gorge

Des plaques d'usure ou blindages en acier sont installés dans cette zone. L'abrasion du revêtement par la charge est la cause principale de détérioration. Les opérateurs s'efforcent de maintenir le niveau supérieur de la charge (la ligne de charge) dans cette région. Un blindage mobile peut être installé pour dévier la charge tombant de la grande clochette. Avec l'installation du BLT, l'usure de la zone de ligne de charge peut être grandement réduite. Certains utilisateurs choisissent d'éliminer les plaques de blindage et d'utiliser un revêtement réfractaire résistant à l'abrasion.

Gueuse

La gueuse (parfois appelée fût ou « paroi interne ») est la zone entre le manteau ou ventre sur un fourneau autoportant et la zone de ligne de charge. Des lignes lisses et uniformes (la « surface de travail » du processus) de la gueuse sont essentielles pour une descente uniforme et prévisible de la charge, une montée du gaz et un contrôle stable du processus tout au long de la campagne. Les considérations de processus dictent un diamètre plus grand à la base de la gueuse qu'au sommet. Les angles typiques de gueuse sont autour de 85° par rapport à l'horizontale.

Manteau/Ventre

La zone de manteau ou ventre assure la transition entre la gueuse élargie et la bosse. Le maintien de l'efficacité du système de refroidissement/revêtement est particulièrement important pour le fourneau à manteau afin de protéger la structure du manteau. La protection thermique est importante pour le fourneau autoportant aussi, mais la conception autoportante est moins compliquée et plus accessible dans cette zone.

Bosse

La bosse se situe entre la joue de tuyère et le manteau/ventre. Son diamètre augmente du bas vers le haut. Son inclinaison permet la montée efficace des gaz du processus et s'est avérée nécessaire pour assurer la durée de vie de la zone (les gaz sont extrêmement chauds et les conditions d'attaque chimique interne sont sévères). Les angles typiques de bosse sont autour de 80° par rapport à l'horizontale. Les bosses sont de deux types de base : (i) à bandes et (ii) étanches. Elles peuvent être refroidies par différentes techniques.

Les bosses à bandes se trouvent dans les anciens fourneaux à support par manteau (elles ne peuvent pas s'appliquer aux fourneaux autoportants). Un certain nombre de bandes d'acier sont placées à des diamètres croissants (le plus petit en bas, le plus grand en haut) et liées par des bandes de liaison. L'espace entre bandes permet l'introduction de plaques de refroidissement en cuivre. Un revêtement en briques céramiques doit être utilisé car l'infiltration d'air entraîne l'oxydation des revêtements à base de carbone. Les fuites de gaz à travers la bosse à bandes peuvent être importantes. Ce type ne convient pas aux HF à haute pression de vent/haute pression au sommet. Les bosses à bandes offrent une flexibilité adéquate pour éliminer le besoin de joint de dilatation dans la partie inférieure.

Les bosses étanches, utilisant une tôle d'acier continue au lieu de bandes séparées, permettent l'utilisation de systèmes de refroidissement/revêtement améliorés, de pressions de fonctionnement plus élevées, et du type autoportant. Elles retiennent les gaz précieux dans le fourneau, améliorant le processus métallurgique. De plus, en excluant l'entrée d'air dans le revêtement, elles permettent l'utilisation de réfractaires à base de carbone.

Joue de tuyère

L'air chaud est introduit dans le fourneau par les tuyères (unités en cuivre refroidies à l'eau) situées dans la joue de tuyère. Le nombre de tuyères dépend de la taille (capacité de production) du fourneau. Le diamètre de la joue, l'espacement et le nombre de tuyères sont influencés par la taille attendue de la zone de raceway devant chaque tuyère.

Les manches de tuyère (Fig. 10) acheminent l'air chaud du tuyère de distribution aux tuyères. Les tuyères sont supportées par des refroidisseurs de tuyère (unités en cuivre refroidies à l'eau) qui sont à leur tour supportés par des porte-refroidisseurs en acier (soudés ou boulonnés à l'enveloppe). Une attention particulière doit être portée à la conception de l'enveloppe et du revêtement de la joue pour maintenir une étanchéité efficace des différents composants et prévenir l'échappement et la perte des gaz du fourneau.

Creuset

Le creuset (Fig. 10) est le creuset du fourneau. C'est là que la fonte et les scories liquides sont collectées et maintenues jusqu'à la coulée. La paroi du creuset est percée de trous de coulée (fréquemment appelés encoches de fer) pour l'évacuation de la fonte et des scories liquides. Le nombre de trous dépend de la taille du fourneau, des besoins de manutention de la fonte et scories, des contraintes physiques et financières, etc.

Plusieurs fourneaux sont équipés d'une encoche à scories ou cindres (normalement une par fourneau, certains peuvent en avoir deux). L'ouverture de l'encoche à scories est normalement suffisamment plus haute que celle de l'encoche à fer. Autrefois, quand les volumes de scories étaient élevés, elles étaient évacuées périodiquement par l'encoche. Cela simplifiait la séparation fer/scories en halle de coulée. Plus couramment aujourd'hui, l'encoche à scories est conservée uniquement pour les procédures de mise en route initiales ou pour usage d'urgence en cas de problème à l'encoche à fer ou autre problème de conduite.

Fond du creuset

Le fond du creuset supporte les parois et est inondé par le fer à l'intérieur. Au fur et à mesure de la campagne, le revêtement du fond s'use jusqu'à un point d'équilibre fixe. Le réfractaire restant contient le processus et, avec un refroidissement suffisant ou une valeur d'isolation inhérente, protège le radier et la fondation.

Système de refroidissement

L'application de techniques de refroidissement spécifiques aux zones du fourneau dépend de plusieurs facteurs : durée de vie de campagne attendue, philosophie d'exploitation, types de charge, réfractaires, contraintes de coûts, contraintes physiques, fluides de refroidissement disponibles, préférences, etc. Différentes techniques peuvent être prévues pour différentes zones pour aider le revêtement à résister aux facteurs de détérioration spécifiques. Normalement, une capacité de refroidissement adéquate est nécessaire dans chaque zone applicable si le système de revêtement doit survivre. Là où les conditions thermiques, chimiques et, dans une certaine mesure, abrasives sont extrêmes, un refroidissement suffisant doit être fourni pour maintenir les lignes intérieures uniformes nécessaires et protéger l'enveloppe.

Typiquement, le cône supérieur et la gorge ne sont pas refroidis. Le fond du creuset peut être « activement » refroidi par refroidissement sous creuset (air, eau, huile) ou « passivement » par conduction à travers le revêtement vers les parois. Les options de base pour le reste du fourneau sont : (i) pas de refroidissement (généralement la partie supérieure de la gueuse n'est pas refroidie sur plusieurs fourneaux), (ii) refroidissement par aspersion ou pulvérisation, (iii) refroidissement par chemise ou canaux, (iv) refroidissement par plaques, (v) refroidissement par lames (staves).

Refroidissement par aspersion ou pulvérisation

L'eau est dirigée par buses ou augets de débordement et descend en film sur la tôle d'enveloppe. Une conception efficace des buses, leur nombre et positionnement sont importants pour une couverture adéquate et minimiser la réverbération. Une conception adéquate de plaques déflectrices est nécessaire pour assurer une distribution efficace de l'eau de refroidissement et minimiser les éclaboussures. Le refroidissement par aspersion est fréquemment utilisé dans les zones de bosse et parois du creuset. La pulvérisation est normalement appliquée pour le refroidissement d'urgence ou de secours, principalement dans la gueuse. La corrosion de la tôle d'enveloppe extérieure et l'encrassement organique sont des problèmes courants pouvant perturber l'écoulement de l'eau ou isoler l'enveloppe de l'effet de refroidissement de surface. Le traitement de l'eau est une considération importante pour maintenir un refroidissement efficace.

Refroidissement par chemise ou canaux

Des chambres de refroidissement fabriquées ou des profilés structurels en acier (cornières, U) sont soudés directement à l'extérieur de la tôle d'enveloppe. L'eau y circule à faible vitesse pour refroidir l'enveloppe et le revêtement. Ce refroidissement est fréquemment appliqué aux parois du creuset, joue de tuyère et bosse. L'accumulation de calcaire sur l'enveloppe et les dépôts de débris dans le fond des éléments de refroidissement externes peuvent compromettre l'efficacité. Un nettoyage périodique est donc nécessaire.

La zone critique dans les schémas de refroidissement mentionnés est la nécessité pour la tôle d'enveloppe d'agir comme élément de refroidissement. Si des charges thermiques extrêmes agissent sur la face interne, il existe un gradient thermique très élevé à travers la tôle. Cela induit de fortes contraintes thermiques et un fissuration progressive. Les fissures partent de l'intérieur et se propagent vers l'extérieur. Elles restent invisibles (autre qu'un « point chaud ») jusqu'à ce qu'elles traversent complètement la tôle. La fissuration traversante entraîne fuite de gaz, carburation de l'enveloppe exposée, et perturbation du refroidissement (particulièrement par aspersion ou chemise). Une fissure dans une chemise étanche est difficile à localiser et peut entraîner de longs arrêts pour réparation. L'entrée d'eau dans le fourneau (fréquemment quand il est à l'arrêt et que la pression interne ne peut empêcher l'entrée d'eau par les fissures) peut avoir un effet néfaste sur le revêtement. L'eau dans le fourneau peut être potentiellement dangereuse (risque d'explosion vapeur/hydrogène). Comme les refroidissements par aspersion et chemise reposent sur la tôle pour conduire la chaleur vers le fluide, les refroidissements par plaques et lames sont conçus pour isoler l'enveloppe du processus.

Refroidissement par plaques et cigares

L'installation d'éléments de refroidissement à travers l'enveloppe (Fig. 11) a été une amélioration majeure de conception, résultant en un refroidissement efficace du revêtement et une protection de l'enveloppe. Le refroidissement est assuré sur toute la longueur de pénétration dans le revêtement. Les éléments insérés fournissent un support mécanique positif au revêtement. La fabrication typique des plaques est en cuivre moulé à haute conductivité. Des passages d'eau simples ou multiples peuvent être incorporés. Des boîtiers de refroidissement à section verticale plus grande ont été produits en acier moulé, fonte ou cuivre.

Des refroidisseurs de type cigare (cylindriques) en acier et/ou cuivre ont aussi été utilisés avec succès. La philosophie du refroidissement dense par plaques (pas vertical 350-400 mm axe-à-axe, pas horizontal 600 mm axe-à-axe) a amélioré l'effet de refroidissement et augmenté la durée de vie du revêtement.

Les plaques en cuivre étaient traditionnellement ancrées dans l'enveloppe par barres de retenue ou connexions boulonnées pour permettre un remplacement aisé en cas de fuite. Plus récemment, des plaques avec des sections en acier à l'arrière pour soudage direct sur l'enveloppe ont été conçues. Bien que parfois plus longues à remplacer, ce type assure une étanchéité positive contre les fuites de gaz. Les plaques sont typiquement installées au-dessus de la zone où le fer liquide s'accumule. Donc du milieu de la joue de tuyère jusqu'au bas du blindage de gorge est la plage d'application.

Refroidissement par lames (staves)

Des éléments de refroidissement en fonte (plaques Shannon ou lames) sont utilisés depuis plusieurs années dans les zones de bosse et parois du creuset. Ces pièces moulées ont des passages de refroidissement de grande section. Bien que leur durée de vie n'ait pas été remarquable dans la bosse, plusieurs campagnes ont été normales pour les parois du creuset. Ces lames souffraient souvent de faibles débits d'eau de qualité marginale (entartrage et dépôts) et parfois de porosité de coulée. Les fuites d'eau dans les parois du creuset peuvent être un problème considérable.

Dans les années 1950, l'URSS a développé un nouveau type de lame (Fig. 12) et le « refroidissement par lames à évaporation naturelle ». Pour cette conception, les pièces étaient en fonte grise contenant des tubes en acier pour les passages d'eau. Les tubes étaient revêtus avant coulée pour empêcher la carburation du tube et le contact métallurgique avec le corps de la lame. Les lames étaient installées en rangées horizontales et les tubes de refroidissement traversaient l'enveloppe. Des colonnes verticales de lames étaient formées par l'interconnexion des tubes projetés d'une lame vers la lame correspondante de la rangée suivante. Les lames peuvent s'appliquer à toutes les parois dans les zones sous le blindage. Les lames du creuset et de la joue ont des faces lisses. Celles de la bosse, manteau/ventre et gueuse ont normalement des rainures pour l'installation de réfractaire.

L'évolution de la conception des lames a été spectaculaire. Celles des zones à forte charge thermique sont maintenant généralement moulées en fonte ductile pour une conductivité thermique et une résistance à la fissuration améliorées. Alors que les premières lames utilisaient du réfractaire coulable (installé après pose des lames dans le fourneau), les rainures incorporent maintenant normalement des briques réfractaires, soit coulées en place (avec le corps de la lame en fonderie), soit glissées et mortaisées avant installation. La Fig. 12 montre les lames et les générations de développement.

On reconnaît normalement quatre générations de lames dans l'industrie.

• Première génération : plus utilisée. Quatre circuits de refroidissement (coudes à grand rayon qui ne refroidissent pas efficacement les coins). Fonte grise avec réfractaire coulable dans les rainures.
• Deuxième génération : quatre circuits avec coudes à rayon court pour un meilleur refroidissement des coins. Fonte ductile avec briques de rainure coulées en place ou collées.
• Troisième génération : refroidissement à deux couches incorporant quatre ou six circuits (face chaude) et un ou deux circuits serpentins (face froide) pour refroidissement supplémentaire ou secours en cas de perte des circuits face chaude. Refroidissement des bords supplémentaire (haut et bas). Utilisation fréquente comme lames refroidies supportant un revêtement. Briques de rainure coulées ou mortaisées.
• Quatrième génération : refroidissement à deux couches (similaire à 3e). Lames avec rebords refroidis et revêtement en briques moulées en place, éliminant le besoin de revêtement en briques posé manuellement.

Les lames avec rebords de face chaude retiennent mieux un revêtement en briques que les briques de rainure à face lisse. Cependant, une fois le revêtement disparu (prévu), les rebords sont très exposés. Ils perturbent la descente de charge et la montée des gaz. Les rebords exposés ont tendance à faillir rapidement. Ils sont fréquemment desservis par un circuit d'eau séparé du circuit principal. Ainsi, les circuits de rebords fuyants peuvent être plus facilement localisés ou isolés. Certains fabricants fournissent maintenant des pièces de rebords séparées pour que la fissuration et la perte de rebords n'endommagent pas les lames mères. Il y a aussi un changement de philosophie actuel pour abandonner l'application de rebords.

Des variations des types de base sont courantes. Par exemple, des lames de 4e génération utilisant un réfractaire coulable pour le revêtement de paroi ont été employées avec succès. Alternativement, des revêtements en briques ont été ancrés aux corps de lames. De telles approches peuvent substituer les rebords de support.

Une « cinquième » génération a été développée : la lame en cuivre (Fig. 13). Le développement a été mené au Japon et en Allemagne pour les zones de bosse, ventre et bas de gueuse face aux fortes charges thermiques et grandes fluctuations de température. Le Japon a opté pour des lames en cuivre moulé, l'Allemagne pour des plaques en cuivre laminé aux tolérances extérieures serrées avec perçage pour passages de refroidissement. Les lames en cuivre percé et bouché sont typiquement conçues pour quatre tuyaux d'eau en ligne droite en haut et quatre en bas. Les matériaux pour bobines internes incluent monel, cuivre ou acier. Contrairement aux lames en fonte, les lames en cuivre sont destinées à être liées au tube de refroidissement.

Le développement de la lame en cuivre moulée a considéré les aspects suivants. Premier aspect : pour la prévention de la déformation, une conception appropriée de la longueur de lame et des points de contrainte par boulons est importante. L'utilisation de la lame en cuivre à tubes moulés avec sa propre conception est bénéfique pour réduire efficacement le risque de déformation. La Fig. 13 montre les points de contrainte d'une lame en cuivre laminé et d'une lame en cuivre à tubes moulés. Une lame laminée est contrainte à l'enveloppe par boulons et goupilles. Pour éviter que la soudure à la base d'un tube montant ne soit endommagée par les contraintes, la tuyauterie montante est connectée à l'enveloppe par un joint de dilatation. De cette structure, les extrémités supérieures et inférieures des lames sont librement déplaçables, causant une déformation aisée. La charge thermique importante appliquée répétitivement à la lame en cuivre lors des fluctuations d'exploitation du HF cause une accumulation progressive de déformation plastique et une grande déformation. Des cas où la déformation à l'extrémité supérieure a atteint 50 mm ou plus et une soudure s'est rompue, sous condition de lame trop longue, position de boulon inappropriée, ou charge thermique excédant la conception.

Actuellement, le type de lame en cuivre le plus populaire est la lame laminée, dont la fabrication implique le perçage de trous dans une plaque de cuivre. Les extrémités des canaux d'eau sont bouchées par soudage. La lame en cuivre à tubes d'acier moulés, qui a été développée, est réalisée en coulant des tubes d'acier cintrés dans le cuivre, un procédé complètement différent de la lame laminée conventionnelle. Cette méthode unique a permis d'atteindre une haute efficacité énergétique et une longue vie des HF, inatteignables avec la lame laminée.

Le refroidissement par lames à évaporation naturelle (NEVC) est une technique où de l'eau de qualité chaudière est introduite dans la rangée inférieure de lames et remonte par moyens naturels dans les circuits verticaux. La chaleur du processus conduit à travers la lame et le tube dans l'eau, qui se réchauffe. En se réchauffant, elle se dilate. Comme de l'eau plus froide est introduite en bas, l'eau chaude tend à monter. À un certain point du circuit vertical, l'eau atteint le point d'ébullition. En changeant de phase en vapeur, par la chaleur latente de vaporisation, une chaleur additionnelle est absorbée (entraînant le changement de phase). Après le début de l'ébullition, un écoulement diphasique (eau et vapeur) remonte dans les tubes jusqu'au sommet. Des séparateurs de vapeur sur la plateforme du sommet extraient et évacuent la vapeur vers l'atmosphère. L'eau d'appoint est introduite dans le séparateur (pour remplacer la vapeur évacuée). L'eau est renvoyée par gravité au fond du fourneau et réinjectée dans les lames. Cette technique est très efficace et a de faibles coûts d'exploitation. Pas d'équipement de pompage. Les améliorations ont consisté à augmenter le débit d'eau par pompes de recirculation (refroidissement par évaporation forcée – FEVC) pour assurer un écoulement uniforme et refroidir l'eau recirculée (refroidissement à eau froide forcée – FCWC). Les deux approches ont amélioré la durée de vie des lames et du revêtement.

Les lames offrent une excellente protection de l'enveloppe tout au long de leur durée de vie (prolongée tant que le revêtement en briques intérieur reste en place). L'application des lames a été étendue à toutes les zones du fourneau, des parois du creuset jusqu'à la gueuse supérieure incluse.

Un inconvénient pour la conversion d'un fourneau à refroidissement par plaques vers le refroidissement par lames peut être le coût d'une nouvelle enveloppe. Cependant, si l'enveloppe existante est déjà en détresse et doit être remplacée de toute façon, le coût de conversion n'est pas un facteur majeur.

Halle de coulée

La halle de coulée (Fig. 14) est la zone où sont placés les équipements pour extraire en sécurité la fonte et les scories liquides du fourneau, les séparer, et les diriger vers les équipements ou installations de manutention appropriés. La fonte et les scories sont évacuées par le trou de coulée. Seulement rarement aujourd'hui les scories sont évacuées par l'encoche à scories. L'équipement pour le trou de coulée doit être fiable et nécessiter un minimum de maintenance. Les fourneaux coulent typiquement 8 à 11 fois par jour.

Canon à masselotte

Le canon à masselotte sert à fermer le trou de coulée après la coulée. Une quantité de masselotte est poussée pour combler le trou usé et maintenir une quantité (le « champignon ») dans le creuset. Le canon est normalement maintenu en place jusqu'au durcissement de la masselotte et l'obturation sécurisée. Un canon hydraulique utilise la puissance hydraulique pour pivoter, maintenir et pousser la masselotte. La pression d'injection typique est de 20 à 25 MPa, permettant de pousser une masselotte visqueuse dans un fourneau opérant à haute pression. Le canon hydraulique est maintenu contre le fourneau avec une force équivalente à 15-35 tonnes. Ce type peut être mis en place en un seul mouvement.

Un canon électromécanique a trois entraînements électriques séparés pour le pivot, le positionnement du canon et le bourrage. Plusieurs mouvements séparés sont donc nécessaires pour un positionnement précis. La pression d'injection est de seulement 5-8 MPa. Le canon électromécanique est verrouillé au fourneau pour le maintenir en place pendant l'obturation.

Foreuse de trou de coulée

La foreuse perce un trou à travers la masselotte dans le creuset. Une unité de forage est mise en place hydrauliquement et maintenue hydrauliquement en position de travail. Un moteur pneumatique alimente le marteau de forage (avec tige et foret) dans le trou. De l'air comprimé est envoyé au centre de la tige et du foret pour refroidir ce dernier et évacuer la masselotte retirée. Lorsque la tige a pénétré dans le creuset, elle est rétractée et la foreuse s'écarte du jet de fonte.

Technique de la barre de trempe

L'application de la barre de trempe a amélioré le processus de coulée. Lorsque la masselotte est encore malléable après obturation, une barre d'acier est enfoncée dans le trou par la foreuse. Pendant l'intervalle entre coulées, elle chauffe par conduction depuis la fonte du creuset. Cela permet le durcissement de la masselotte sur toute sa longueur (au lieu de durcir seulement près de l'extérieur, au niveau des éléments de refroidissement). La masselotte durcie est plus résistante à l'érosion pendant la coulée, améliorant le contrôle du débit. Moins de masselotte est nécessaire pour reboucher. Lors de l'ouverture, un dispositif de serrage et un dispositif de martelage arrière sur la foreuse extraient la barre. Le moment d'ouverture peut être plus facilement contrôlé (prédit) que par forage conventionnel. Cette caractéristique est importante pour une conduite fluide et la planification de la livraison de fonte aux installations en aval.

Équipements de trou de coulée du même côté

Canon et foreuses ont normalement été installés sur les côtés opposés du trou. Le développement a permis leur installation du même côté. La foreuse pivote au-dessus du canon ou vice versa. Ce type d'installation facilite l'accès pour la maintenance du trou et de la rigole, et l'amélioration de l'application de la collecte des fumées au niveau de la rigole et du trou.

Avec l'avènement des plates-formes d'accès aux tuyères pour faciliter l'inspection et le remplacement des tuyères et manches, la hauteur libre pour les équipements de trou a diminué. Cependant, les installations d'équipements du même côté peuvent être réalisées avec une faible hauteur libre (par exemple 2,2 m).

Système de rigole et de canaux

Les débits typiques de coulée de fonte et scories sont de 4-6 t/min et 3-5 t/min respectivement. Les systèmes de rigole et canaux doivent être conçus pour séparer correctement le fer et les scories et les évacuer du fourneau pour des débits dans la plage normale et pour des pics inhabituels.

La rigole à fonte (Fig. 15) est une poche réfractaire dans le sol de la halle, conçue pour collecter fer et scories après décharge du fourneau. La fonte s'écoule dans la rigole, sous un écumeur et par-dessus un barrage vers le système de canaux à fonte. Le niveau de fonte dans la rigole est dicté par le barrage. Une conception adéquate du barrage submerge la partie inférieure de l'écumeur dans le bain de fonte. Les scories, plus légères, flottent sur le bain. Ne pouvant s'enfoncer et passer par l'ouverture de l'écumeur, elles s'accumulent jusqu'à déborder un barrage à scories et s'écouler dans le canal à scories. En fin de coulée, la hauteur du barrage à scories est abaissée pour évacuer la majeure partie des scories. La fonte résiduelle est retenue dans la rigole pour prévenir l'oxydation et le choc thermique du revêtement.

Pour la maintenance du revêtement de rigole, le bain peut être vidé en retirant le barrage à fonte, en ouvrant une vanne de vidange de rigole, ou en perçant le côté de la rigole (à son point le plus bas) avec une foreuse de vidange. Le fond de la rigole a normalement une pente de 2 % minimum pour un drainage efficace. La section transversale et la longueur sont importantes pour les écoulements, la rétention et la séparation efficaces. Une bonne conception améliore le rendement en fonte. Les techniques efficaces de revêtement et refroidissement sont importantes pour la durée de vie du revêtement, la température de la fonte, et la protection thermique de la structure acier/béton de la halle. Les rigoles étaient traditionnellement contenues dans des caissons « enterrés dans le sable » dans le système de sol. Une conception améliorée intègre convection d'air forcée ou naturelle, ou refroidissement à l'eau.

La pratique de halle nécessite des canaux aussi courts que possible. Cela minimise les pertes de température de la fonte et réduit la maintenance des canaux et la génération de fumées. Des canaux plus courts peuvent aussi réduire les dépenses d'investissement pour l'installation ou modification du bâtiment de halle. Comme les canaux doivent s'incliner vers l'extérieur du fourneau, le sol de la halle suit normalement la même pente.

Les canaux à scories sont normalement conçus avec une pente de 7 % minimum. Les scories peuvent être dirigées vers : (i) des poches à scories pour transport ferroviaire ou par engins mobiles vers un site distant de déchargement, (ii) des fosses à scories adjacentes pour refroidissement à l'air et trempe à l'eau avant excavation par engins mobiles, (iii) des installations de granulation adjacentes pour conversion en scories granulées. Les unités de granulation sont équipées de systèmes pour éliminer les émissions de fumées liées aux enjeux environnementaux.

Les canaux à fonte sont normalement conçus avec une pente de 3 % minimum. La fonte est normalement dirigée vers des poches de transfert (wagons torpilles / poches à ciel ouvert) pour mouvement vers l'aciérie ou machines de coulée de lingots. La pratique normale utilise un système de canal unique avec portes de déviation dirigeant la fonte vers différentes positions de coulée, chacune avec une poche. L'application de canaux basculants s'est avérée bénéfique. Un canal basculant est normalement à entraînement par moteur électrique (avec volant manuel de secours), incliné d'environ 5° pour dévier la fonte. Un bain de fonte est maintenu dans le canal pour minimiser les projections et l'usure du réfractaire. Lorsqu'une poche est remplie, le canal bascule du côté opposé pour remplir l'autre. Si nécessaire, une locomotive retire la poche pleine et place une vide. Cette opération peut se faire sans boucher le fourneau. En fin de coulée, le canal bascule de 5° supplémentaires pour vider son bain dans la poche.

La conception moderne de halle inclut des sols plats, où le canal est entièrement couvert et affleurant au sol. Cela permet une utilisation plus sûre et aisée des véhicules mobiles. L'utilisation d'équipements radiocommandés et d'autres dispositifs a réformé le travail en halle, et avec des systèmes efficaces de contrôle des émissions, a amélioré les conditions de travail. À mesure que le diamètre du creuset augmente, il en résulte un besoin d'agrandir la halle. Les grands HF sont normalement conçus avec quatre trous de coulée (Fig. 14). Avec une configuration à quatre trous, l'aménagement doit fournir un espace suffisant pour les déplacements. Il n'y a pas de problème de conception associé tant que l'espace nécessaire est prévu dans le plan de site. L'agrandissement de la halle en termes de plan au sol ne représente pas un changement radical de philosophie pouvant défier le concepteur. Une coulée efficace et strictement contrôlée est nécessaire pour assurer une exploitation stable et une haute productivité du HF.

Contrôle des émissions

Les exigences et applications de collecte des fumées varient considérablement dans le monde. Les HF ont actuellement des systèmes de collecte complets, partiels, voire inexistants. Une capacité de ventilateur et de filtre à manches de l'ordre de 9 000 à 11 500 m³/min (selon pratiques d'exploitation et de conception) est typique pour une capture complète des fumées d'une installation à deux trous de coulée (rigoles et canaux basculants).

Une conception et application adéquates des couvercles de canaux de collecte peuvent faciliter l'accès en halle (configuration à sol plat utilisant dalles ou plaques acier) pour le personnel et les engins mobiles. Les couvercles peuvent aussi réduire la perte de température de la fonte et améliorer la longévité du réfractaire des canaux.

Certains fourneaux utilisent la suppression de flamme qui élimine l'oxygène de l'air directement au-dessus de la rigole et des canaux à fer. Les produits de combustion préviennent l'oxydation de la surface de la fonte, réduisant les particules visibles et les fumées.

Autres aspects de la conception du HF

Il est nécessaire de réaliser une étude complète de chaque élément de la chaîne de processus, de la livraison des matières premières à la consommation de la fonte, pour s'assurer qu'il n'y a pas de « goulets d'étranglement » empêchant le fourneau d'atteindre ses objectifs. Lors de la conception, une réflexion doit être menée pour développer la conception et considérer des alternatives avant de la figer. Les équipements doivent être sélectionnés pour répondre au mieux aux besoins de l'exploitation.

La conception doit garantir : (i) le fourneau capable d'atteindre les objectifs opérationnels de production, productivité (t/j/m³ de volume de travail), consommations spécifiques (kg/t de fonte), et qualité du produit de manière rentable, (ii) la flexibilité pour accepter et absorber les variations de qualité des matières premières, (iii) la capacité d'atteindre la durée de campagne souhaitée tant en temps qu'en production totale.

La justification financière est la considération primordiale. L'étude économique doit être très approfondie. De plus, la conception doit inclure les derniers développements technologiques pour que le fourneau ne devienne pas obsolète pendant sa campagne.

Le volume de travail du fourneau est le volume interne calculé entre les tuyères et la ligne de charge. La productivité du creuset est évaluée en t/j/m³ de volume actif du creuset. Le volume actif est le volume interne entre les tuyères et le trou de coulée. C'est une mesure de la capacité de rétention des liquides produits dans le volume de travail (au-dessus des tuyères). Donc, les t/j/m³ de volume actif mesurent la capacité spécifique (débit par unité de volume) du creuset.

La conception du creuset est très importante car elle affecte fortement l'exploitation. L'exploitation est affectée car les niveaux de liquides changent rapidement, causant des variations dans le pattern d'écoulement des gaz, l'utilisation des gaz, et la pression de vent. Aussi, à cause de ces changements rapides, il peut y avoir bourrage/bruyage des tuyères affectant le soufflage.

Le volume du creuset détermine aussi les contrôles que l'opérateur doit exercer. Pour un très bon contrôle du niveau de liquides, un fourneau à haut débit a besoin d'environ 90 % du temps en coulée. Pour rendre ce temps possible, le plancher de coulée doit être correctement conçu.

Le revêtement et le système de refroidissement nécessitent une attention particulière pour ne poser aucun problème pendant toute la campagne. Le choix des réfractaires, éléments de refroidissement, et géométrie interne est crucial. Les lames en cuivre sont coûteuses mais très économiques comparées aux alternatives. Le revêtement en carbone du creuset est très important pour sa longue vie. L'épaisseur du revêtement de la gueuse a des implications sur le volume de travail.

La production nécessaire détermine normalement la taille du HF. Cependant, pour le dimensionnement, les matières premières, la chimie du produit, et même la philosophie d'exploitation sont importantes. La taille a des implications sur le coût d'investissement, l'amélioration de la productivité sur le coût d'exploitation. La productivité spécifique doit être déterminée pour dimensionner le HF nécessaire. À partir de la large gamme de taux d'exploitation possibles, le volume de travail est calculé. La productivité et donc la taille doivent aussi être basées sur le taux de combustible. Celui-ci dépend de la qualité des matières premières, paramètres d'air chaud, qualité de la fonte, et philosophie d'exploitation.

La taille est le facteur le plus important pour la productivité. Mais d'autres facteurs l'influencent aussi. Les plus importants incluent : (i) température et pression de l'air chaud, (ii) haute pression au sommet, (iii) enrichissement en oxygène de l'air de vent, (iv) injection de combustible auxiliaire aux tuyères, (v) charge préparée (aggloméré, pellets, etc.), (vi) teneur en Fe de la charge ferreuse, (vii) cendres dans le coke, (viii) qualité du coke, (ix) humidité de la charge, (x) chargement direct de fondants (calcaire, dolomie, etc.) dans le HF, (xi) teneur en fines dans la charge, (xii) qualité de la fonte à produire, (xiii) contrôle de la répartition de charge dans le fourneau, (xiv) niveau d'automatisation et de contrôle.

La disponibilité des équipements, la provision d'équipements de secours, et la philosophie de maintenance sont des facteurs importants influençant fortement la production annuelle. De plus, l'incorporation de pratiques de travail sûres et saines dans la conception influence fortement la production. À cet égard, des verrouillages de sécurité doivent être fournis partout où des pratiques dangereuses peuvent survenir.