Optimisation du revêtement réfractaire pour une disponibilité maximale des convertisseurs à oxygène basique

Le revêtement réfractaire d'un convertisseur à oxygène basique (BOF) vise à assurer une disponibilité maximale du fourneau en exploitation pour répondre aux exigences de production et garantir la consommation spécifique de réfractaires la plus faible possible. Pour y parvenir, il est essentiel : (i) d'optimiser la conception du revêtement, (ii) d'optimiser les pratiques de maintenance, (iii) de maintenir une discipline technologique rigoureuse en exploitation. La figure 1 montre une coupe type d'un convertisseur.

Figure 1 : Disposition type du revêtement réfractaire dans un BOF

Conception du revêtement

L'usure du revêtement réfractaire du BOF résulte de l'effet individuel ou combiné de plusieurs agents influençant le mécanisme d'usure :

1. Durée de la chauffe (temps de résidence laitier/métal)
2. Corrosion par attaque chimique du laitier (chimie)
3. Température acier liquide et laitier
4. Corrosion par état d'oxydation du bain
5. Érosion par laitier/métal pendant soufflage O₂ et basculement
6. Impact/abrasion poussières et gaz
7. Impact ferraille/métal au chargement
8. Impact/pénétration jet O₂
9. Cycles thermiques pendant la chauffe
10. Dommages mécaniques lors du déskullage

Ces agents variant, il existe de nombreuses zones d'usure dans un convertisseur.

L'exploitation du convertisseur et la configuration du revêtement influencent massivement la durée de vie. La température de coulée varie selon le surchauffe requis pour couler un grade donné et les installations de métallurgie secondaire. L'état d'oxydation du bain est crucial pour l'usure du revêtement, aggravé par la haute température. La chimie du laitier est déterminante à plusieurs titres. Les briques magnésie-carbone (MgO-C) sont des réfractaires basiques nécessitant un laitier basique. Les laitiers basiques formés tentent de dissoudre la magnésie (MgO) de la brique jusqu'à leur niveau de saturation (typiquement ~8 % MgO, selon température et état d'oxydation). Si le MgO n'est pas apporté (généralement via dolomie calcinée), le laitier dissout le revêtement préférentiellement, augmentant l'usure. La chimie du laitier relie basicité et teneur MgO, diluées par des taux élevés de FeO ; la température accélère les cinétiques réactionnelles. Érosion et abrasion sont liées aux pratiques de fabrication.

Théoriquement, le revêtement devrait être conçu par type et épaisseurs de réfractaires pour qu'aucun matériau ne soit gaspillé en fin de campagne : toutes zones (figure 2) s'usent jusqu'à l'épaisseur d'arrêt simultanément. En pratique, ce n'est pas le cas : certaines zones s'usent plus vite. Une conception équilibrée vise à améliorer la durée de vie au coût optimal. Revêtement équilibré = qualités et épaisseurs différentes par zone après étude attentive du patron d'usure. Aussi appelé revêtement zonal : zones à moindre usure reçoivent qualité/épaisseur inférieures ; zones à forte usure reçoivent réfractaires plus résistants (coût plus élevé) pour allonger leur vie.

Figure 2 : Différentes zones du convertisseur

Qualités réfractaires pour convertisseur : dolomie goudronnée, dolomie pechée, magnésie pechée → réfractaires avancés (liants résine, métalliques, graphites, MgO fritté/fondu 99 % pur). Propriétés combinées attendues : résistance chaude, résistance oxydation, résistance laitier. Actuellement, réfractaires MgO-C sont les plus utilisés.

Réfractaires MgO-C : variables clés

• Type grain magnésie : chimie, taille cristaux, densité
• Type liant et taille presse brique (friction/hydraulique)
• Agent liant : goudron, résine, quantité, réimprégnation
• Type graphite : pureté, granulométrie, quantité
• Anti-oxydants : type, quantité, granulométrie
• Propriétés physiques brique : densité, porosité, résistance (chaude/froide)

Type et taille de presse (friction/hydraulique) influencent propriétés brique.

Grain de magnésie

Composant principal de la brique MgO-C, sa composition/propriétés déterminent les caractéristiques de la brique. Plusieurs types de grains MgO disponibles. Grains haute qualité requis pour résister laitiers basiques, érosion, abrasion, température. Densité, taille, chimie grain vitales. Ratio chaux/silice (CaO/SiO₂) du grain important : doit être nul ou > 2:1 pour former silicate bicalcique (phase haut point fusion). Certains grains ont ratio 6:1 mais deviennent plus sensibles à l'hydratation. Ratio CaO/SiO₂ bas → phases bas point fusion → perte résistance chaude catastrophique. Quantité minéraux secondaires dans grain importante → SiO₂ aussi bas que possible (< 0,3 %). Teneur bore (B) élevée critique : détruit résistance chaude du grain.

Densité du grain

Variable 3,2 à > 3,5 g/cm³. Faible densité = porosité élevée → grain sensible pénétration laitier.

Taille cristaux

Grands cristaux surperforment petits cristaux : porosité interstitielle réduite → moins de pénétration laitier aux joints de grains ; moindre sensibilité réduction MgO par C présent dans brique à haute température. Réduction détruit C brique et MgO grain → vapeur Mg + gaz CO. Taille considérée grande > 140 µm. MgO fondu peut dépasser 1000 µm mais variation chimie/taille possible.

Agent liant

Briques MgO-C = briques liant carbone avec résidu carbone finement divisé après cokéfaction liant. Ce résidu maintient la brique.

Type de graphite

Graphite non mouillant par laitiers sidérurgiques → empêche pénétration laitier et dissolution grains MgO. Thermiquement très conductif → évacue chaleur surface brique → réduit cinétiques réactions agressives. Chimiquement pur C mais contient cendres (minéraux argileux gisements graphite). Graphite impur apporte flux (SiO₂, Al₂O₃) effets négatifs seulement. Graphite en écailles (flake) généralement utilisé : résistance oxydation > graphite amorphe, conductivité thermique supérieure. Teneur graphite typique 5–25 % ; à conditions égales, teneur plus élevée = meilleure résistance laitier et conductivité thermique.

Anti-oxydants

Poudres métalliques ajoutées aux briques MgO-C : piègent O₂, retardent oxydation graphite et liant C. Améliorent nettement résistance chaude en formant liaisons complexes métal-carbure-oxyde dans la brique.

Conception revêtement BOF varie selon usines, chacune visant durée de vie et disponibilité visées, en tentant d'égaliser usure des différents mécanismes dans différentes zones. Figure 3 : revêtement zonal type.

Figure 3 : Revêtement zonal type du convertisseur

Pratiques de maintenance du revêtement

Mesure usure par faisceau laser

Technique mesurant épaisseur revêtement par laser (figure 4). Très utilisée. Laser réfléchi sur points étalonnés sur convertisseur nu et comparé aux points sur revêtement usé. Analyse informatique trace épaisseur résiduelle. Utile pour comparer taux usure différents réfractaires et éviter dommages coquille. Permet d'identifier zones nécessitant rechargement (gunning) et contrôler quantité matériel rechargement.

Figure 4 : Mesure usure réfractaire par laser

Niveaux MgO

Teneur MgO du laitier = facteur clé durée de vie. Objectif : charger plus MgO que niveau saturation laitier à température exploitation. MgO élevé améliore aussi caractéristiques enrobage laitier (slag coating) et adhérence (slag splashing). Sources MgO = sources magnésiennes bas coût. Matériaux revêtement basique usagés aussi utilisables. Niveaux MgO basés sur températures de coulée.

Enrobage par laitier (slag coating)

Technique basculant convertisseur pour créer revêtement de travail en laitier. Art exigeant attention pendant exploitation. Conditions succès : (i) choisir bon type laitier, (ii) conditionner laitier apports justes/appropriés, (iii) basculement correct, (iv) évacuer laitier quand nécessaire, (v) enrober au moment optimal. Planification et exécution rigoureuses requises.

Projection de laitier (slag splashing)

Contribution majeure à l'allongement de la durée de vie. Utilise laitier résiduel du process, conditionné, pour créer revêtement sur surface réfractaire agissant comme revêtement d'usure à la chauffe suivante. Laitier liquide visqueux soufflé par azote haute pression (N₂) dans différentes parties convertisseur où il adhère au revêtement de travail. Nécessite 2–3 min après coulée précédente et avant chauffe suivante, convertisseur vertical. Débit N₂ contrôlé selon hauteur lance, généralement automatisé.

Rechargement (gunning)

Permet vie prolongée. Projection matériau réfractaire (généralement monolithique) sur zones usure sévère : tourillons, ligne laitier. Rechargement sélectif uniquement. Pistolet type « shooter » pour environnement hostile. Matériaux rechargement généralement base eau. Études nombreuses, qualité améliorée en continu. Coût matériau rechargement → équilibrer avec coût spécifique réfractaires en sidérurgie.

Revêtement convertisseur et matériaux

Deux couches briques réfractaires généralement : revêtement de sécurité mince (protection coquille, 150–225 mm) + revêtement de travail épais (450–750 mm). Grande partie revêtement sécurité dure plusieurs campagnes revêtement travail. Revêtement sécurité maintenu par anneaux rétention acier et mortier. Étapes revêtement :

• Refroidissement après campagne, enlèvement revêtement travail usé par moyens mécaniques (machine débriquage). Réfractaires enlevés évacués par rotation convertisseur position inversée.
• Réparation partie endommagée revêtement sécurité + installation revêtement travail sans mortier.
• Principe : installation revêtement travail avec coupe minimale, construction à anneaux emboîtés où brique maintenue par conicité (face chaude < face froide).

Conditions usure par zone et réfractaires recommandés

Fond (Bottom) : Érosion métal/laitier/gaz fondu. Contraintes thermomécaniques convertisseur soufflage combiné (gradient thermique tuyères refroidies gaz / fond revêtement). MgO-C n'apporte pas performance accrue fond. Soufflage profond → usure rapide fond. Réparations campagne : reconstruction fond laitier visqueux enrichi dolomie ou rechargement mélange laitier liquide/briques basiques cassées. Soufflage combiné = forte contrainte fond → blocs MgO fritté avec modificateurs et imprégnation goudron préférés.

Tuyères fond et entourage : Soufflage fond et agitation bain par tuyères → usure localisée matériaux réfractaires entourage. Usure : flux turbulent acier fondu → érosion + contrainte thermique gaz froids. Blocs réfractaires MgO-C haute densité, faible porosité, goudronnés imprégnés, base MgO fondu préférés.

Zone de chargement (charge pad) : Face au trou de coulée. Impact ferraille chute (parfois lourd : bouts de blumes). Érosion acier fondu. Sondes température/prélèvement introduites côté vessel basculé → laitier haute température lessive zone. Solutions initiales : briques MgO fritté imprégnées goudron. Avec vies convertisseur allongées (matériaux MgO-C), zone chargement = zone usure majeure → MgO-C liant résine + ajouts métalliques pour bonne performance. Résistance impact, résilience + résistance, résistance pénétration laitier (graphite).

Zone de coulée (tapping area) : Érosion acier liquide haute température + corrosion laitier liquide. Développement réfractaires similaire zone chargement. Matériaux antérieurs remplacés par MgO-C goudronné imprégné + ajouts métalliques. Usure dominante = attaque laitier haute température → blocs gros cristaux MgO deviennent standard. Réfractaires goudronnés imprégnés performance supérieure zone coulée : réduction oxydes laitier pénétrants par action C porosité bloc.

Zone croisement laitier (slag zone cross-over) : Intersection zone coulée inférieure / niveau bain statique supérieur. Zone complexe : attaques multiples (laitier, haute température, érosion) pendant coulée. Matériaux résistance attaque laitier haute température + résistance oxydation requis. MgO-C goudronné imprégné gros cristaux MgO, graphite écailles haute pureté, ajouts métalliques → bons résultats. Graphite écailles haute pureté limite « auto-oxydation » par oxydes impuretés inhérents.

Zone tourillons (trunnion zone) : Zone la plus difficile à maintenir (axe rotation → incapable lavage laitier). Usure principale = perte face travail par oxydation liant C. Gunning seule méthode pratique maintenance ; blocs haute résistance oxydation préférés.

Corps principal (main barrel) : Deux zones : (i) genouillère (knuckle), (ii) paroi supérieure (upper sidewall).

• Genouillère : Souvent zone usure majeure, bien que modifications conception améliorent souvent performance. Attaque laitier sévère, particulièrement hors soufflage. Matériaux très bonne résistance corrosion/érosion laitier requis.
• Paroi supérieure : Attaque laitier + cyclages température extrêmes. Matériaux bonne résistance laitier utilisés. Revêtement doit aussi pouvoir prendre et retenir enrobage laitier.

Ligne laitier prélèvement (sampling slag line) : Zones cône de part/autre zone chargement → attaque préférentielle laitier quand vessel basculé pour mesure température/sonde prélèvement. MgO-C goudronné imprégné bonne performance.

Cône (cone) : Érosion haute température gaz haute vitesse + particules piégées. Atmosphère oxydante. MgO-C liant résine bonne performance.

Cône supérieur (upper cone) : 6–10 anneaux supérieurs. Mécanisme usure modifié par perte matériau pendant déskullage. Dommages briques : déskullage mécanique progressif (perte bouts briques) ou arrachage briques entières. Matériaux haute résilience + résistance + résistance oxydation prérequis. MgO imprégné goudron, parfois plaques métalliques co-moulées (s'expandent oxydation → serrent anneaux) = matériau le plus performant cette zone.