Optimisation des opérations du haut fourneau avec le coke noix : efficacité et avantages économiques

Utilisation du coke noix dans un haut fourneau

Le coke métallurgique, également appelé coke de haut fourneau (HF), joue un rôle essentiel dans le fonctionnement stable du HF. Le coke HF a une granulométrie typique de 30 à 60 mm (certains fours utilisent du coke de 40 à 80 mm) et représente une part importante du coût de production de la fonte. Ce coût élevé s'explique par la génération d'un fort pourcentage de fractions fines lors de la production du coke HF dans les fours à coke. Ces fractions fines sont connues sous le nom de coke fin (-10 mm) et de coke noix (10 à 30 mm). La totalité du coke fin est généralement consommée à l'usine d'agglomération lors du frittage des fines de minerai. Auparavant, le coke n'avait pratiquement aucune utilisation dans une aciérie intégrée et était vendu à d'autres utilisateurs. Le professeur V. I. Loginov a suggéré dans les années 1960 de charger le coke noix dans le HF mélangé au fritté. Bien que cette idée ait été testée avec succès, il y a eu une résistance initiale à son utilisation dans le HF.

Aujourd'hui, l'utilisation du coke noix dans le HF comme substitut partiel du coke HF est considérée comme une technologie éprouvée et son ajout dans la charge minière du HF est devenu une pratique quasi standard. L'utilisation du coke noix dépend fortement de sa disponibilité. Une consommation mensuelle moyenne de plus de 100 kg par tonne de fonte (kg/tHM) a été réalisée avec succès dans certains HF. L'analyse statistique des indices annuels moyens de certains HF européens a montré que l'introduction du coke noix dans la charge du HF donnait un coefficient de substitution proche de 1,0.

Principe de chargement et effets principaux

Dans la pratique conventionnelle de la sidérurgie au HF, la charge ferreuse (minerai en morceaux, fritté et pellets) et le coke HF sont chargés en couches alternées. Le coke noix est normalement chargé dans le HF mélangé à la charge ferreuse. L'ajout de coke noix dans la couche de charge ferreuse du HF permet : (i) une utilisation efficace du produit à faible valeur généré lors de la carbonisation du charbon cokéfiable, (ii) une réduction de la consommation de coke HF au HF, (iii) une amélioration de la productivité du HF, (iv) une optimisation du régime gazodynamique de l'opération de fusion au HF, (v) une amélioration des indices techno-économiques du HF grâce à la réduction du coût de production de la fonte, et (vi) une réduction des émissions de CO₂ puisque moins de coke doit être produit dans les fours à coke. La figure 1 montre une comparaison entre le chargement conventionnel et le chargement mélangé avec coke noix de la charge minière dans le HF.

Mécanismes d'amélioration de la performance

De nombreuses études ont montré que le chargement mélangé avec coke noix améliore la perméabilité de la zone de ramollissement et de fusion, ainsi que la réduction directe. L'exploitation de nombreux HF a prouvé la possibilité d'économiser du coke et d'augmenter la productivité lors de l'utilisation de coke noix mélangé à la charge ferreuse, mais les raisons et mécanismes de ce phénomène n'ont été clairement compris que récemment. Trois facteurs principaux peuvent affecter la diminution du taux de coke : (i) l'amélioration de la perméabilité au gaz dans la « zone sèche » du HF, (ii) l'amélioration des conditions de réduction de la charge ferreuse, et (iii) la « protection » du coke métallurgique contre la réaction de perte en solution dans le shaft du HF due à la réactivité plus élevée du coke noix.

Récemment, il a été découvert qu'une petite quantité de coke noix mélangée à la charge ferreuse entraîne une meilleure cinétique de réduction, une consommation réduite de réducteur, et une meilleure perméabilité au gaz et aux liquides. Le coke noix est chargé en remplacement du coke HF régulier. Son utilisation affecte le rapport d'épaisseur entre les couches de charge ferreuse et de coke ainsi que la perméabilité. Son utilisation varie d'un HF à l'autre. L'interaction du coke noix avec la charge à basse et haute température est importante. Si le coke noix est chargé au-delà de la quantité optimale, il cause la descente de coke noix non consommé vers la partie inférieure du HF. Cela a un effet néfaste sur le creuset du HF car le coke noix non consommé s'accumule et obstrue la zone du « deadman ». Un deadman obstrué perturbe la qualité de la fonte et la productivité du HF. Cet effet est plus grave lorsque le HF fonctionne avec un taux d'injection de charbon élevé. Idéalement, le coke noix doit être entièrement consommé avant la zone cohésive. La figure 2 montre une comparaison du fonctionnement du HF sans et avec coke noix dans la charge.

Études sur la perméabilité gazeuse et la distribution radiale

Une étude sur l'influence de l'épaisseur des couches de fritté et de coke et du mélange fritté-coke noix sur la perméabilité gazeuse à des températures de 1 100 °C à 1 600 °C a montré qu'à mesure que l'épaisseur des couches de fritté et de minerai diminue, la perte de charge diminue. Le mélange de 90 g de coke noix dans 1 400 g de fritté permet de réduire la perte de charge à 1 400 °C de 380 mm CE (colonne d'eau) à environ 50 mm CE. La conclusion de l'étude est que l'application de la technologie de chargement mélangé à haut ratio de coke noix dans le HF améliore la perméabilité gazeuse dans la zone cohésive.

Dans une autre étude, la ségrégation et la distribution radiale du coke noix dans un système de chargement avant l'entrée dans le HF ont été simulées par la méthode des éléments discrets. Il a été rapporté que l'équilibre circonférentiel de la masse de coke noix dans la trémie de chargement est un facteur très important qui affecte la distribution du coke noix. L'application d'un stabilisateur sur l'extrémité de la goulotte de chargement est une méthode efficace pour éviter la ségrégation du coke noix.

Effets sur les processus de réduction et comportement du deadman

Dans plusieurs HF, le changement des processus de réduction par l'utilisation du chargement mélangé coke noix-minerai a été étudié. Il a été constaté que la réduction directe peut être favorisée dans la zone cohésive et inhibée dans le creuset, améliorant ainsi le chauffage du creuset. L'effet du coke noix sur la consommation de coke dépend de la caractérisation tant du coke noix que du coke HF. L'influence de deux rôles distincts du coke noix comme agent réducteur et comme espaceur de lit a été étudiée. Il a été constaté que, en raison de sa taille dans la couche de charge minière, le coke noix est principalement consommé pour régénérer le gaz CO, tandis que le coke HF est protégé de la dégradation, améliorant ainsi la perméabilité du lit. La consommation préférentielle du coke noix par la réaction de perte en solution dépend de la taille du coke noix. La figure 3 donne une comparaison du chargement conventionnel et du chargement mélangé avec coke noix de la charge minière dans le HF.

Quantité optimale et risques d'excès

Un degré plus élevé de remplacement du coke HF par du coke noix est toujours souhaitable, mais avec une utilisation très élevée de coke noix, il y a toujours un risque que le coke noix non consommé descende vers la partie inférieure du HF, ce qui peut entraîner l'obstruction du deadman et du creuset. Dans une étude basée sur la modélisation mathématique et des expériences, il a été conclu que lorsque le taux de coke noix est faible, il est entièrement consommé par la réaction de gazéification et conduit à une meilleure perméabilité. Mais lorsque le taux de coke noix est très élevé, il n'est pas entièrement consommé par la réaction de gazéification. Il continue d'exister dans la partie inférieure du HF et cause une augmentation de la perte de charge du lit de coke compacté. D'après l'expérience opérationnelle des HF, l'augmentation de l'utilisation du coke noix au-delà d'une certaine concentration optimale affecte la capacité de drainage du creuset, entraînant un taux de fusion médiocre et une productivité du HF inférieure.

Dans une autre étude de simulation de la zone du deadman dans le creuset du HF, il a été observé que la porosité est d'une importance supérieure au diamètre du coke dans la zone du deadman. Une faible porosité dans cette zone peut causer une pénétration moindre des gaz chauds dans la région inférieure du HF et développer une zone de basse température dans la zone du deadman. La génération de fines et leur accumulation ne sont pas souhaitables pour une zone de deadman perméable. Il a également été observé que les fines de coke présentes dans la partie inférieure du HF causent une augmentation de la perte de charge, et cette augmentation est supérieure à l'ampleur de la diminution de la perte de charge dans la zone cohésive due au coke noix. Ainsi, la perte de charge globale augmente dans le HF.

Ces résultats indiquent clairement qu'il existe une quantité optimale de coke noix au-dessus de laquelle les avantages de son utilisation sont minimes, et qui peut également causer des anomalies dans le comportement du HF et nuire à la production.

Effets du chargement du coke noix avec la charge ferreuse

Amélioration de la perméabilité

La perméabilité est un paramètre contrôlé par le volume de soufflage et la perte de charge de la colonne du shaft. Sous condition constante de volume de soufflage, la perméabilité peut être améliorée en diminuant la perte de charge. La perméabilité du lit est l'un des facteurs les plus importants dans l'opération du HF. La productivité du HF peut être augmentée par une prise de vent plus élevée et nécessite donc une perméabilité gazeuse adéquate. La perméabilité gazeuse du lit détermine le flux du gaz réducteur dans le HF. La façon dont le gaz réducteur circule dans le HF influence la productivité. On pense que la perte de charge peut être diminuée en ajoutant du coke noix dans la charge ferreuse.

L'utilisation de coke noix avec la charge ferreuse présente l'avantage d'une meilleure perméabilité dans la zone sèche du HF. L'ajout de coke noix dans la charge ferreuse a un effet positif sur la perméabilité gazeuse. L'effet bénéfique de l'ajout de coke noix à la charge ferreuse sur la perméabilité est moins significatif en cas de faible ratio de mélange de coke noix. En utilisant environ 10 % et 20 % de coke noix dans la charge ferreuse, la productivité du HF peut être améliorée de 1,5 % et 2,5 % respectivement.

Une étude a été réalisée sur deux périodes dans un HF. La première période a fonctionné avec un chargement conventionnel sans coke noix et la seconde avec un chargement de charge ferreuse avec coke noix. Dans les deux périodes, la quantité de minerai est restée la même. Il a été constaté que le saut de pression du gaz de HF augmentait et variait avec la quantité de coke noix. Le fonctionnement du HF a été plus régulier avec l'augmentation du pourcentage de coke noix. La production du HF a également augmenté et la raison principale de cette production plus élevée a été la réduction de la consommation de coke HF. La capacité de chauffage et de réduction du flux de gaz est pleinement utilisée grâce à une meilleure distribution du gaz de fourneau et au fonctionnement plus régulier du fourneau.

Dans une autre étude de l'opération du HF utilisant une grande quantité de coke noix mélangé à la charge minière, il a été conclu que l'ajout de coke noix dans la couche de charge minière empêchait la détérioration de la perméabilité dans la partie inférieure du HF. Il a été déduit de l'étude que le coke HF normal reste gros dans la partie inférieure suite à la réaction de perte en solution sélective du coke noix et la perméabilité de la couche cohésive reste bonne grâce au chargement du coke noix avec la charge ferreuse.

Une autre étude a porté sur les propriétés de la couche de charge minière composée de minerai et de coke noix. Deux méthodes de mélange des couches ont été utilisées. La première consiste à changer la hauteur et à avoir plus de couches. La seconde consiste à changer la quantité de coke noix dans la couche de minerai. Il a été constaté que la perte de charge diminue avec la diminution de la hauteur de couche (augmentation du nombre de couches) et le pic disparaît dans des conditions de plus de 3 couches. La perte de charge diminue rapidement avec l'augmentation de la quantité de coke noix. On pense que la carburation se produit à l'interface du fritté et du coke. Lorsque le métal fond à la frontière, le gaz passe principalement à travers le coke et ses environs et la perméabilité de la couche compactée est maintenue suffisamment. En général, on croit que plus la porosité dans la couche de charge est grande, plus la perméabilité est élevée. Cependant, grâce à une étude de dynamique des gaz, il a été constaté que lorsque le coke noix est mélangé dans la couche de charge, la porosité diminue, mais la perméabilité s'améliore par rapport au chargement conventionnel de minerai sans coke noix. Donc, tant la porosité que la structure de la porosité doivent être considérées lors de l'étude de la perméabilité de la charge.

L'ajout de coke noix dans la couche de minerai peut réduire la résistance au gaz de la zone cohésive. La diminution de la résistance à la perméabilité gazeuse est due au fait que le coke mélangé ajoute un nouveau vide à la couche de minerai.

Cinétique de réduction

La charge ferreuse dans le HF se compose principalement de Fe₂O₃ et Fe₃O₄. L'élimination de l'oxygène (O₂) de la charge minière est appelée réduction. Le processus du HF est basé sur le comportement de réduction des matériaux de charge ferreuse. Le taux de réduction et le degré de réduction influencent directement la production du HF. La température de la zone de réserve thermique dans le HF est approximativement cohérente avec la température de départ de la réaction de Boudouard (perte en solution) du coke (C + CO₂ = 2CO), qui implique des réactions fortement endothermiques. La réaction de Boudouard contrôle la réaction globale à l'intérieur du HF. Si la température de départ de la zone de réserve thermique peut être abaissée, la concentration d'équilibre de la réaction de réduction FeO-Fe (FeO + CO = Fe + CO₂) est déplacée vers une efficacité d'utilisation du gaz CO plus élevée. Cela entraîne une amélioration de l'efficacité d'utilisation du gaz CO au sommet du HF et une diminution de la consommation d'agents réducteurs.

Un taux de réduction plus élevé de l'oxyde de fer est souhaitable pour une productivité plus élevée du HF. Dans une étude, basée sur une analyse expérimentale de la réduction de l'oxyde de fer de 900 °C à 1 200 °C, il a été suggéré que la réaction limitant la vitesse pour la réduction est l'oxydation du carbone. La réduction de l'oxyde de fer se déroule en deux étapes. Dans la première étape, il est réduit de Fe₃O₄ à FeO et dans la seconde étape, il est réduit davantage de FeO à Fe. La vitesse de la première réaction de réduction est plus rapide que la seconde. Dans l'étape finale de la réduction du FeO par le carbone (C), le taux de réduction diminue davantage en raison de la formation de scories fayalitiques (FeO·SiO₂). Le phénomène de « retard de réduction » se produit particulièrement pendant et après le ramollissement de la charge ferreuse. Une étude basée sur l'observation expérimentale confirme qu'à haute température (supérieure à 1 100 °C), la charge ferreuse sans coke noix souffre de « retard de réduction », mais dans la charge ferreuse mélangée avec coke noix, ce phénomène n'est pas observé. Pour un degré de réduction plus élevé, il a été constaté que la taille du coke noix doit être comparable ou inférieure à celle de la charge ferreuse.

Comportement au ramollissement et à la fusion

La zone où le minerai commence à ramollir et fondre est connue sous le nom de zone cohésive. Le ramollissement et la fusion sont des phénomènes physiques et les changements chimiques dans le comportement de la zone cohésive sont liés à la localisation et à la forme de la zone cohésive et au flux de gaz, et ont une influence importante sur l'opération du HF.

Une zone cohésive plus mince est souhaitée pour une perte de charge plus faible et une meilleure perméabilité dans le HF. Cela peut être obtenu avec des charges ferreuses ayant une moindre différence de température entre leur ramollissement et leur fusion. L'épaisseur de la zone cohésive peut également être modifiée en mélangeant du coke noix dans la charge ferreuse. En réalisant des expériences à haute température avec du coke noix mélangé à la charge ferreuse, il a été constaté que la température de ramollissement et de fusion augmente de 86 °C et 15 °C respectivement. La différence de température entre le ramollissement et la fusion est réduite de 71 °C. Cela indique la formation d'une zone cohésive plus mince avec la charge ferreuse mélangée au coke noix.