Frittage des fines de minerai de fer : améliorer l'efficience du haut fourneau

Les usines de frittage sont normalement associées à la production de fonte liquide en hauts fourneaux dans les aciéries intégrées. Le frittage est essentiellement une étape de pré-traitement pendant la fabrication du fer pour produire la matière de charge appelée fritté (sinter) pour le haut fourneau à partir de fines de minerai de fer et de déchets métallurgiques (poussières captées, boues, calamines, etc.).

La technologie frittage a été développée à l'origine pour utiliser au haut fourneau les fines de minerai et le fer présent dans les déchets métallurgiques d'une aciérie. Mais l'objectif a changé. Aujourd'hui, le frittage vise à produire une charge de haute qualité pour le haut fourneau. Le fritté est aujourd'hui la charge métallique principale des grands hauts fourneaux.

Procédé de frittage

Le frittage agglomère un mélange de minerais de fer (mélange), fines de retour, fondants et coke, taille particulaire < 10 mm, pour obtenir un fritté de taille cribée 10–30 mm résistant aux conditions pression/température du haut fourneau.

Principe du frittage

Procédés thermique (1300–1400 °C) agglomérant mélange : minerai fer, fines retour, produits recyclés industrie sidérurgique (calamines, poussières HF, etc.), éléments formateurs laitier, fondants, fines coke — dans usine frittage pour fabriquer produit fritté de composition chimique, qualité (physique) et granulométrie adaptées à l'alimentation HF, assurant exploitation homogène et stable. Avant frittage : étape importante = granulation. Granulation = homogénéisation mélange minerai dans tambour rotatif avec 7–8 % eau → produit pré-aggloméré livré comme couche sur grille/chaîne mobile continue pour obtenir produit fritté. Rôle fondamental : perméabilité lit frittage adéquate → bonne productivité machine frittage.

Flexibilité frittage permet conversion variété matériaux : fines minerai, poussières capturées, concentrés minerai, autres matériaux ferreux fines (ex. calamines) → aggloméré type clinker.

Processus : chauffage produit pré-aggloméré → masse semi-fondue → solidification en morceaux fritté poreux taille/résistance nécessaires pour alimentation HF.

Le produit fritté

Qualités bon fritté : (i) analyse chimique, (ii) distribution granulométrique, (iii) réductibilité, (iv) résistance fritté. Tableau 1 : propriétés types.

Tableau 1 : Propriétés types du fritté
N°	Article	Unité	Valeur
1	Composition chimique
	Fe	%	56,5–57,5
	FeO	%	6,0–8,0
	SiO₂	%	4,0–5,0
	Al₂O₃	%	1,0–2,5
	CaO	%	7,5–8,5
	MgO	%	1,6–2,0
2	Basicité (CaO/SiO₂)		1,7–2,9
3	Résistance ISO (+ 6,3 mm)	%	> 75
4	Indice dégradation réduction (RDI)	(-3 mm) %	27–31
5	Indice réductibilité (RI)	(R60) %	55–75
6	Indice tumbler	(-6,3 mm) %	65–75

Figure 1 : fritté minerai fer.

Figure 1 : Fritté de minerai de fer

Types de fritté

Classification : fritté acide, auto-fondant, sur-fondant. Auto-fondant : teneur CaO (chaux) suffisante pour fondre composants acides (SiO₂, Al₂O₃). Sur-fondant : CaO additionnel pour fondre composants acides apportés HF par autres charges. Auto-fondant/sur-fondant : chaux abaisse température fusion mélange fritté ; à températures relativement basses (1100–1300 °C) liaisons fortes forment en présence FeO. Avantages ajout fondants fritté :

• Génère laitier avec impuretés minerais/combustibles solides → matrice cohésion particules
• Améliore propriétés physiques et métallurgiques fritté
• Abaisse température fusion mélange fritté
• Réduit/élimine ajout calcaire HF → économise combustible pour calcination calcaire (CaCO₃ = CaO + CO₂) dans HF → réduit taux coke HF

Procédé de frittage (détail)

Début : préparation matières premières (fines minerai, fondants, déchets métallurgiques usine, combustible, fines retour frittage). Mélange tambour pelletisant rotatif + eau → agglomération adéquate matières = micro-pelletes. Micro-pelletes → perméabilité optimale frittage. Conveyées machine frittage → couche supérieure charge.

Processus continu : traitement couche charge (fines minerai, fines retour, fondants...) en présence coke breeze sous action brûleur surface couche. Chauffage haut → bas. Couche charge repose système barres (strand) + système aspiration → toute épaisseur atteint température fusion partielle + agglomération subséquente.

Machine Dwight-Lloyd : grille frittage = chaîne continue grande longueur/largeur, union série chariots palettes formant chaîne frittage (strand) (figure 2). Chaque chariot passe sous trémie chargement : d'abord matière granulométrie grosse (10–20 mm) épaisseur 30–60 mm → couche sole (hearth layer) principalement fritté retour. Couche sole protège grilles acier surchauffe frittage.

Figure 2 : Machine Dwight-Lloyd

Deuxième couche micro-pelletes chargée sur couche sole + nivelée. Chariot passe sous four initialisation : ignition combustible surface charge. Simultanément : aspiration dépression descendante à travers charge frittage. Aspiration → air aspiré à travers lit mobile → combustion combustible.

Chariot continue : combustion progresse sens écoulement gaz. Frittage s'effectue. Combustion pas simultanée toute épaisseur lit. Au contraire : combustion = couche horizontale se déplaçant verticalement à travers lit. Épaisseur cette couche = faible fraction lit. Perméabilité lit = exigence qualité charge → granulation charge = étape importante frittage (perméabilité améliorée par granulation).

Région au-dessus zone combustion : fritté très chaud chauffe air traversant cette couche. Air préchauffé arrive zone combustion. Chaleur air/gaz précédemment chauffés absorbée sections froides → préchauffage charge + évaporation humidité. Températures élevées → fusion partielle → frittage.

Haute efficacité thermique = accumulation chaleur couche partielle charge = zone frittage ou front flamme. Front flamme progresse 10–30 mm/min vers grille frittage. Hauteur lit ~500 mm → processus ~25 min. Fin chaîne atteinte : matière frittée déchargée → refroidissement, broyage, criblage.

Processus contrôlé par « point burn-through » (BTP) = point où température gaz résidus atteint maximum. Point où front flamme atteint base fond lit frittage. Vitesse machine et débit gaz contrôlés pour BTP juste avant déchargement fritté. Détermination BTP cruciale stabiliser processus + améliorer qualité et productivité.

Fin machine : matière frittée (gâteau) déchargée dans broyeur fritté chaud. Broyage taille maxi prédéterminée. Décharge refroidisseur fritté (ligne droite ou circulaire). Après refroidissement → section criblage : 3 fractions granulométriques. 1re : 0–5 mm = fines retour → trémies alimentation. Fraction 5–15 mm = couche sole chaîne frittage. Solde 5–15 mm + 3e fraction 15–50 mm → haut fourneau.

Fines retour inévitablement générées frittage, recyclées process. Fines retour ~30–40 % matières ferreuses. Fines retour criblage frittage plus facilement assimilées que fines criblage HF (teneur ferrite calcique élevée plus faible).

Quatre zones lit frittage

• Zone froide/humide : < 100 °C. Charge à fritter, limite supérieure saturée eau/vapeur.
• Zone séchage : 100–500 °C. Évaporation humidité mélange + déshydratation hydroxydes.
• Zone réaction : 500 °C (début ignition coke) – 900 °C (début refroidissement). Temp max 1300–1400 °C. Processus principaux : (i) combustion coke (exothermique), (ii) décomposition carbonates (endothermique), (iii) réactions phase solide, (iv) réduction/réoxydation oxydes fer, (v) réactions formation masse frittée.
• Zone refroidissement : immédiatement après zone réaction. Refroidissement + recristallisation produit fritté. Zone superficielle où couche fritté plus friable que reste lit.

Causes fluctuations processus frittage étudiées pour réduire consommation carbone → moins émissions CO₂. Analyse fréquentielle données usine (température gaz échappement un boîtier vent, niveau chargement mélange, humidité mélange) → variations humidité mélange liées fluctuations température gaz échappement boîtier vent particulier. Amélioration contrôle process par maîtrise humidité mélange bande étroite valeurs → baisse consommation carbone → moins émissions CO₂.

Circuit gaz résidus = parfaitement étanche, pas aspiration air atmosphère. → économie énergie circuit gaz résidus. Gaz résidus traités dépoussiérage : cyclone, précipitateur électrostatique, épurateur humide, filtre tissus. Figure 3 : flowsheet usine frittage.

Figure 3 : Flowsheet usine frittage

Machines de frittage

Deux types : (i) machines circulaires, (ii) machines ligne droite (Dwight-Lloyd). Dwight et Lloyd : première usine frittage continue 1906.

Machines circulaires : HF volumes utiles ≤ 650 m³. Tableau 2 : paramètres principaux.

Tableau 2 : Paramètres principaux machines frittage circulaires
Sujet	Unité	Machine 12 m²	Machine 17 m²	Machine 25 m²	Machine 33 m²
Production annuelle	1000 t/an	172	253	404,5	556
Puissance totale	kW	700	1500	1750	2400
Terrain usine	m²	8000	9000	10000	12000
Terrain bâtiment	m²	800	3400	35000	3600

Caractéristiques machines circulaires :

• vs machines ligne droite : investissement capital faible, délais construction courts
• Étanchéité meilleure, fuites air moindres (boîtiers vent déplacés synchrones grilles + étanchéité eau)
• Système déchargement → taille fritté froid = pas broyeur additionnel nécessaire
• Haute flexibilité opérationnelle

Figure 4 : machine frittage circulaire.

Figure 4 : Machine frittage circulaire

Machines ligne droite : grandes capacités usines frittage. Surfaces frittage généralement ≥ 50 m². Machines actuelles : largeurs 2–5 m, surfaces effectives 200–600 m². Productivités types 30–46 t/m²/jour. Capacités 190 000 t/an – 6,5 Mt/an. Figure 5 : machine ligne droite.

Figure 5 : Machine frittage ligne droite

Points importants fritté et usines frittage

• Fritté réduit taux coke + améliore productivité HF
• Frittage valorise fines minerai (0–10 mm) générées extraction
• Frittage recycle tous déchets porteurs fer, combustible, fondants usine
• Frittage utilise gaz sous-produits usine
• Fritté ne se stocke pas longtemps (génère fines excessives stockage long)
• Fritté génère fines/poussières excessives manipulations multiples usine frittage