Granulation des scories de haut fourneau en coulée : Aperçu du procédé

Granulation des scories de haut fourneau en coulée

Un haut fourneau (HF) est un système fermé où sont alimentés en continu par le haut : matériaux ferreux (minerai en blocs, sinter et/ou granulés), flux (formateurs de scories) et agents réducteurs (coke). Les produits de la réduction sont la fonte (HM) et la scorie liquide. Ils s'accumulent au foyer. La scorie flotte sur la fonte (densité plus faible). Les produits liquides sont écoulés périodiquement par la gueularde dans un système de rigoles où HM et scories sont séparés par système de déversoirs et barrages. La fonte part en poches (ouvertes ou torpilles) ; la scorie liquide va soit dans de grandes fosses pour refroidissement à l'air (produit agrégat), soit vers une installation de granulation. Jusqu'aux années 1970, la scorie HF était considérée comme déchet et déversée loin du four.

Les différents procédés de granulation de scorie liquide en coulée ont été développés vers le début des années 1970. Ils diffèrent par la méthode de déshydratation de la scorie granulée humide. Aujourd'hui, la granulation de scorie liquide HF est une technologie bien établie, utilisée dans tous les HF mondiaux.

La quantité de scorie liquide dépend beaucoup des matériaux de charge : grade minerai, teneur en gangue, flux ajoutés pour ajuster la chimie de la scorie. Jusqu'aux années 1940-50, génération scorie ~980 kg/t HM. Aujourd'hui, grâce à meilleure compréhension des mécanismes de formation des scories et du procédé HF global, on peut contrôler, optimiser et minimiser la génération. Quantité spécifique actuelle : 175-350 kg/t HM. Température scorie liquide : ~1 400-1 550 °C.

Nature et valorisation des scories

La scorie HF est un sous-produit non métallique de la production de fer. Composée principalement de silicates, aluminosilicates et calcium-aluminosilicates. La scorie liquide absorbe une grande partie du soufre (S) de la charge. L'objectif principal de l'usine de granulation : transformer la scorie liquide HF en matières premières valorisées pour cimenterie et construction. Paramètres affectant la qualité : (i) chimie scorie liquide, (ii) température scorie liquide, (iii) teneur en verre de la scorie granulée, (iv) distribution granulométrique moyenne. Les deux premiers relèvent de l'exploitation HF ; les deux derniers du procédé de granulation. Paramètres du procédé : température et pression eau granulation, débit, surface granulation pour échange thermique.

La valeur de la scorie dépend de ses propriétés minéralogiques, chimiques, physiques, mécaniques : basicité, teneur en verre, structure, humidité. Ces propriétés techniques relèvent de la charge et procédé HF, technologie granulation et conditions opératoires, stockage et temps de déshydratation. Fig. 1 montre la dépendance complexe des propriétés techniques.

La scorie granulée a l'aspect de sable à béton. Elle est vitreuse et fibreuse. Pas de chaleur de cristallisation ; propriété hydraulique latente formant produits d'hydratation solides comme le ciment. Mais alors que le ciment est soluble dans l'eau (hydratation), la scorie granulée ne l'est que dans solution alcaline. Condition alcaline par activateur ou catalyseur basique (chaux). Propriétés typiques Tableau 1.

Tableau 1 : Propriétés typiques de la scorie granulée
N°	Propriété	Unité	Valeur
Propriétés physiques
1	État	-	Granulés solides
2	Taille	mm	< 10
Propriétés chimiques
3	SiO₂	%	32-38
4	FeO	%	0,2-2
5	CaO	%	32-38
6	MnO	%	0,02-5
7	Al₂O₃	%	16-22
8	S	%	0,1-1,2
9	MgO	%	6-17
10	TiO₂	%	0,5-1,2
11	(CaO+MgO+Al₂O₃)/SiO₂	-	1-2
12	Humidité	%	8-15
13	Résidu insoluble	%	0,7-5
14	Perte au feu	%	Nulle
15	Teneur en verre	%	> 90

Produits principaux de la scorie liquide : (i) scorie HF refroidie à l'air, (ii) scorie HF granulée.

Scorie HF granulée = trempe à l'état vitreux → peu ou pas de cristallisation. Formation fragments taille sable (ou frit), généralement avec matériau friable type clinker. Structure physique et granulométrie dépendent : chimie scorie, température trempe, méthode production. De la scorie granulée, on produit de la scorie HF granulée moulue (GGBS) aux propriétés cimentaires, substitut partiel ou additif au ciment Portland. Scorie refroidie à l'air = coulée en lits, refroidissement lent conditions ambiantes. Structure cristalline. Produit scorie dure, en blocs, ensuite concassée et criblée.

Grossier pour béton = concassage scorie air + criblage. Fin = concassage léger scorie granulée pour contrôler granulométrie + criblage. Flux production scorie HF Fig. 2.

Concept de granulation des scories

Le procédé consiste à verser la scorie liquide à travers un jet d'eau haute pression dans une tête de granulation, près du HF. Granulation = trempe contrôlée dans eau froide sans temps pour croissance cristalline. Grand volume eau nécessaire (~10 parts eau pour 1 part scorie liquide = optimum). Pendant la trempe, la scorie subit refroidissement accéléré sous débit d'eau contrôlé → sable vitreux avec ~97 % particules < 3 mm, taille moyenne ~1 mm. Point d'impact scorie/eau dépend : débit scorie, température, pente et forme rigole chaude.

L'échange thermique scorie/eau doit être très rapide. Jets eau brisent le flot scorie en lames liquides → filaments → gouttelettes. Meilleur transfert thermique = surface contact maximum, scorie en gouttelettes entièrement enrobées d'eau. Temps solidification dépend : taille gouttelettes, ΔT scorie/eau, environnement contact.

Selon température eau granulation autour gouttelette, différents mécanismes :

1. Évacuation chaleur seulement par dégagement vapeur (si eau à ébullition)
2. Évacuation par vapeur + transfert dans eau (cas le plus fréquent)
3. Évacuation sans vapeur, seulement transfert dans eau (eau froide, condensation immédiate vapeur)

Généralement ébullition non atteinte avec eau froide, sauf points locaux par flux scorie transitoires élevés. Évacuation sans vapeur possible avec eau froide et bonne turbulence slag/eau pour évacuation optimale. Situation la plus courante : évacuation par vapeur + transfert dans eau. Concept Fig. 3.

Granulation possible avec eau chaude ou froide → deux configurations circuit eau.

Circuit eau chaude

Pas de tour de refroidissement. Eau granulation en boucle fermée chauffe près ébullition. Évacuation chaleur principalement par vapeur. Eau d'appoint froide seulement pour compenser pertes vapeur/humidité. Température moyenne circuit ~90-95 °C. Au point impact, températures ~95 °C et plus.

Circuit eau froide

Granulation commence au contact eau froide/scorie liquide (Fig. 3). Flot scorie se brise en lames, filaments, gouttelettes. Seule partie granulée en chemin vers trémie réception, mais complétée après plaque impact dans trémie. Seule partie débit eau directement utilisée granulation ; partie refroidit plaques protection rigole froide.

Usine circuit froid fermé = tour de refroidissement pour maintenir eau process température constante. Évacuation chaleur par transfert dans eau + partiellement vapeur. Transfert vapeur varie selon température eau et flux scorie instantané. Faibles flux scorie → transfert principalement dans eau froide ; forts flux → dégagement vapeur. Usine circuit froid = potentiel évacuation chaleur rapide supérieur au circuit chaud.

Design rigole froide : rigole froide en continuation rigole chaude, avec boîte soufflage intégrée à l'extrémité avant. Boîte soufflage entièrement encastrée dans rigole froide installée sous bec rigole chaude. Rigole froide guide mélange eau-scorie/sable vers trémie réception, revêtement résistant à l'usure (particules granulées très abrasives). Flux chaleur scorie nécessite pulvérisation eau le long rigole froide avant.

Bassin granulation sous bec rigole chaude = bassin eau niveau défini (Fig. 3). Permet eau additionnelle au circuit pour granulation. Granulation soutenue par bain eau turbulent → plus rapide vs design rigole froide. Design permet circuits eau avec moins de débit, mais plus de volume eau dispo pour granulation, sans compromis sécurité. Bassin facilement protégé contre usure (rigole froide = maintenance élevée). Potentiel réduction quantité pousser scorie dans bassin sous niveau eau. Échange chaleur gouttelettes/eau pas seulement par jets boîte soufflage, mais aussi eau entourant chaque gouttelette dans bassin. Jets frappant surface eau bassin créent turbulence → refroidissement plus rapide. Design : ratio eau/scorie réduit, mais plus de volume eau dispo (bassin + débit boîte soufflage). Granulation plus rapide → temps solidification réduit.

Usine de granulation des scories

Composants principaux : (i) rigole chaude, (ii) boîte soufflage, (iii) bassin granulation, (iv) cheminée et tour condensation, (v) distributeur et boîtes ralentissement, (vi) équipement déshydratation, (vii) réservoir eau chaude, (viii) pompes, (ix) tour refroidissement, (x) réservoir eau froide, (xi) réservoir tampon, (xii) eau appoint, (xiii) convoyeur bande, (xiv) stock.

Usine comprend : (i) section granulation, (ii) section déshydratation, (iii) section stockage. Section granulation relie rigole chaude HF et section déshydratation. Schéma Fig. 4.

Section granulation

Scorie liquide HF trempée à l'eau et solidifiée en petites particules → élimine besoin concassage lourd. Scorie coule par rigoles HF vers unité granulation. De la rigole, flot scorie ~1 500 °C versé dans jet eau haute vélocité à tête pulvérisation granulation → ~50 °C dans bassin. Solidification rapide + fragmentation contrôlée par excès eau. À cause haute température scorie, eau partiellement évaporée puis condensée dans tour condensation au-dessus bassin.

Production scorie pendant coulée HF : jusqu'à 10 t/min. Pour gérer variation, débit eau unité granulation contrôlé par calcul bilan énergétique pour performance efficace/économique. Élément contrôle : vanne régulant partie débit eau vers tête pulvérisation.

Tête pulvérisation = cœur technologique granulateur : mélange intensif eau/scorie → granulation rapide/efficace. Conçue pour motif écoulement eau optimal pour mélange optimal, située pour diriger jets haute pression dans flot scorie en chute libre.

Volume principal eau dirigé par jets pour former auget eau rapide au fond chute granulation. But : granuler scorie + protéger rigole granulation + évacuer mélange granulé. Jets supplémentaires sur côtés flot scorie pour granuler tout en petits morceaux le plus vite possible, apport refroidissement additionnel, propulser mélange scorie/eau dans chute. Configuration jets : scorie liquide, conditions normales, ne touche pas fond chute. Têtes pulvérisation : plaques buses détachables avec inserts céramiques et headers remplaçables rapidement maintenance courte.

Quantités eau têtes pulvérisation : ~1 200 m³/h (tête fond bas), 600 m³/h (tête fond haut), 100 m³/h (jets latéraux). Conditions normales : 1 800 m³/h. Fin coulée HF, volumes scorie peuvent augmenter → +600 m³/h par activation têtes supplémentaires → total 2 400 m³/h.

Exigences tête pulvérisation : (i) construction simple/logique → coût fabrication réduit, remplacement simplifié, (ii) matériaux résistants usure (ex: inserts céramiques buses/guides), (iii) facile inspecter/remplacer, (iv) accès facile, nettoyage facile.

Pendant trempe : eau évaporée + composés SOx libérés. Émissions éliminables par tour condensation avec buses pulvérisation eau → dissolution émissions dans eau → neutralisation partielle par CaO scorie.

Bassin granulation entièrement revêtu réfractaire résistant usure (mélange eau/particules scorie très turbulent/érosif). Mélange transféré par gravité vers section déshydratation pour séparation particules scorie/eau.

Section déshydratation

Section granulation ajoute eau à scorie → à éliminer et recycler. Déshydratation pour abaisser humidité ~10-12 %. Scorie déshydratée déchargée direct camion ou système manutention transport. Plusieurs systèmes déshydratation utilisés : lit filtrant couches gravier, déshydrateur, roue déshydratation tournante, tambour déshydratation, silos statiques.

Section stockage

Scorie granulée déshydratée convoyée vers stockage. Silos et stockage aire ouverte utilisés.

Usine granulation = installation compacte, adaptée espaces limités. Granulation, déshydratation, stockage physiquement indépendants → installation lieux séparés. Multiples combinaisons possibles.

Procédé de granulation scories en coulée

Plusieurs procédés granulation scories coulée. Principaux en exploitation : OCP (open cycle process), systèmes design russe (Fig. 5), système RASA, usines granulation INBA (Fig. 6).

Procédé commence par séparation scorie liquide de HM. Scorie menée vers chambre granulation par série rigoles protégées revêtement/sable. Contact direct jet eau sous pression / scorie liquide dans chambre granulation. Refroidissement rapide + pression eau → scorie granulée en particules vitreuses type sable formant boue avec eau. Boue transportée vers section déshydratation.

Méthode déshydratation la plus simple : lit filtrant couches gravier. Lavage à contre-courant périodique eau/air pour élimination colmatage par fines scorie. Déshydratation RASA : plusieurs lits filtrants, couches lits galets tailles différentes au fond. Équipement le plus populaire : tambour déshydratation tournant INBA. Boue scorie granulée/eau répartie uniformément sur toute longueur tambour. Ailettes axiales à l'intérieur soulèvent continuellement scorie granulée et la déposent sur convoyeur au-dessus distributeur. Maillage fin extérieur retient scorie, laisse eau filtrer. Couche scorie fond tambour crée auto-filtrage.

Après déshydratation, humidité résiduelle ~10-12 %. Eau déshydratée nettoyée, refroidie, recyclée. Scorie séchée convoyée vers stockage pour expédition clients. Vapeurs eau générées pendant granulation émises par cheminée normalement inox.

Émissions pendant granulation

Scorie HF ~1 % S (jusqu'à 2 % selon S coke/charbon). Composé S majeur : sulfure calcium (CaS). Pendant granulation, composés S gazeux générés/émis : principalement sulfure d'hydrogène (H₂S) et dioxyde soufre (SO₂) selon réactions simplifiées : (i) CaS + H₂O = H₂S + CaO, (ii) CaS + ³/₂ O₂ = SO₂ + CaO. Réactions principalement > 1 100 °C. Tant que gouttelette scorie liquide, CaS dispo pour alimenter surface scorie/vapeur. Apport S surface par flux et diffusion. Une fois surface durcie (peau), transfert S seulement par diffusion. Coefficient diffusion solide << liquide → apport S stoppé. Seul S dans peau réagit avec vapeur. Vapeur = H₂O + composés S gazeux (H₂S, SO₂) en contact eau granulation → composés S en solution selon pressions partielles. Conditions : température eau, pH, solubilités H₂S/SO₂ → quantité S libérée par vapeur émise atmosphère ou liée CaO eau.

Bénéfices granulation scories

• Convertit déchet en produit valorisé utile.
• Élimine décharge scories et tous inconvénients associés.
• Coûts investissement/exploitation inférieurs coûts décharge.
• Procédé fiable.
• Réduit main-d'œuvre vs décharge.
• Totalement automatisable.
• Économise surface terrain décharge.
• Design compact = faible emprise.
• Installé adjacent coulée HF → aide exploitation HF par flux continu données granulation.