Prolonger la durée de vie du foyer du haut fourneau avec les revêtements TiO₂ : protection réfractaire éprouvée

Protection du revêtement du foyer du haut fourneau par addition de TiO2

L'extension de la durée de campagne d'un haut fourneau (HF) est une préoccupation majeure. La nécessité de prolonger la campagne est bien connue. L'amélioration doit être réalisée tout en maintenant une productivité élevée pour réduire le coût capital unitaire. Le revêtement réfractaire du foyer HF est le plus critique et influence grandement la durée de campagne. C'est l'un des facteurs les plus importants limitant la campagne. L'usure des réfractaires du foyer est une préoccupation sérieuse pour les opérateurs HF car son influence sur la campagne est maximale.

Le foyer est la zone la plus sévèrement exposée dans le HF : attaque chimique, dissolution briques carbone, écoulements laitier/métal chaud (MC), contraintes thermiques. Région la plus critique = zone transition entre paroi four et fond foyer. Durée campagne normalement déterminée par érosion réfractaires paroi foyer. Outre conception appropriée revêtement, crucial de minimiser érosion paroi foyer. Méthodes allongeant durée vie foyer et parois HF sans interrompre production = intérêt économique et technique significatif.

Effets abrasifs et érosifs

Dus à : (i) températures ambiantes élevées, (ii) mouvement continu produits fusion liquide, (iii) activité chimique produits, (iv) pression et activité chimique gaz, (v) entrée humidité dans foyer HF. Raisons principales usure réfractaires foyer : (i) haute productivité four, (ii) fréquence arrêts longs (>2 jours), (iii) fuites eau système refroidissement four, (iv) qualité matériaux charge.

Mesures réduction érosion foyer

• Baisse productivité HF.
• Réduction taux injection charbon.
• Injection masse damée entre lattes et blocs carbone.
• Bouchage temporaire tuyères.
• Augmentation taux refroidissement paroi.
• Addition matériaux contenant TiO2 (oxyde de titane).

Amélioration durée vie revêtement foyer par addition composés TiO2 = méthode la plus utilisée. TiO2 protège revêtement foyer contre érosion prématurée.

Matériaux porteurs de TiO2

Matériau TiO2 le plus fréquemment chargé par sommet four = minerai ilménite, source naturelle Ti. Se présente sous forme titano-magnétite (Fe,Ti)3O4 ou FeTiO3, mélange mécanique ilménite + minéraux fer (magnétite, hématite partielle). Composition typique : TiO2 33%, Fe2O3 <36%, SiO2 <25%, Al2O3 <8%, MgO <5%, humidité 6%. Granulométrie 10-40 mm. Autre voie : chargement TiO2 via frittage, pellets, matériaux synthétiques TiO2 avec charge sommet.

Pratique technologique actuelle réduction usure/réparation zones endommagées foyer = apport ilménite générant carbonitrures Ti(C,N) chimiquement/thermiquement stables. Ces composés s'accumulent principalement points endommagés → effet « réparation à chaud ». Figure 1 : dépôts Ti(C,N) foyer HF.

Utilisation quantité appropriée matériaux Ti dans HF = moyen efficace protection paroi foyer. Addition matériaux Ti favorise formation couche protectrice (« ours en titane ») sur brique réfractaire. « Ours en titane » = précipité carbure, nitrure, carbonitrure Ti, formant dans zone foyer si TiO2 présent dans charge. Tableau 1 : propriétés caractéristiques TiN et TiC.

Tableau 1 : Propriétés du carbure de titane et du nitrure de titane
N°	Propriété	Unité	TiC	TiN
1	Couleur		Gris métallique	Couleur cuivre
2	Densité	g/cm³	4,93	5,4
3	Point fusion	°C	3 157	2 950
4	Conductivité thermique	W/(m·K)	29	38
5	Dureté (échelle Mohs)		9	9
6	Dureté (Knoop)		2 470	1 800
7	Solubilité métal chaud (1400°C)	%	<0,01	<0,01
8	Type cristallin		Cubique à faces centrées	Cubique à faces centrées
9	Paramètres maille	nm	0,4305-0,4327	0,4323-0,4342
10	Coeff dilatation 25-100°C	10⁻⁶ 1/K	7,3	7,3
11	Module élasticité	GN/m³	320	260
12	Résistivité électrique	10⁻⁵ Ω·cm	7	3

Objectif addition matériaux Ti = génération composés Ti(C,N) haute T°/résistance usure, solubilité métal chaud température-dépendante. Quand limite solubilité atteinte par baisse T° (zones endommagées foyer = flux chaleur plus élevé, perte chaleur vers extérieur), composés Ti(C,N) précipitent hors métal chaud et se déposent zones réfractaires plus sévèrement endommagées, avec effet intrinsèque « réparation à chaud ».

Deux approches addition TiO2

• Approche préventive : TiO2 chargé régulièrement pour construire/maintenir couche protectrice précipité Ti(C,N) sur paroi foyer.
• Approche curative : Quantités importantes TiO2 chargées quand températures foyer dépassent seuils critiques. Maintien jusqu'à stabilisation températures niveau acceptable.

Tableau 2 : paramètres typiques addition TiO2 HF selon approches.

Tableau 2 : Paramètres typiques lors additions TiO2 dans HF
N°	Sujet	Unité	Mesure préventive	Mesure curative
1	Charge TiO2	kg/t MC	3-5	5-20
2	Concentration Ti métal chaud	%	0,05-0,1	1,0-1,5
3	Concentration TiO2 laitier	%	1,0-1,5	1,5-3,0

Mécanisme réactions chimiques TiO2

Ilménite = minerai naturel ferritanatés (Fe,Ti)3O4 ou FeTiO3. Doit d'abord se décomposer dans HF en FeO + TiO2 par apport énergie (consommation coke 3-10 kg/t ilménite) avant génération Ti(C,N).

Trois mécanismes techniques base additions composés TiO2 dans HF :

1. Calculs thermodynamiques : TiO2 en équilibre avec Ti(C,N) dans laitier niveau tuyères quand concentration TiO2 laitier ~1,2%.
2. Concentrations >1,2% : TiO2 réduit et précipité comme Ti(C,N).
3. Augmentation viscosité laitier liquide + niveaux max TiO2 laitier et Ti métal chaud à contrôler : limites supérieures TiO2 laitier 3%, Ti métal chaud 0,3%.
4. Partition Ti/TiO2 favorisée par Si élevé métal chaud et basicité laitier élevée.

Processus dépôt Ti(C,N) = réaction d'interface. Nécessaire taux Ti monte interface laitier/métal pour réaction efficace sources Ti. Avantageux : produire gouttes Ti finement dispersées, quantité élevée, surface spécifique élevée dès que possible. Gouttes Ti finement dispersées = particulièrement favorables formation grande quantité Ti(C,N). Gros cristaux Ti(C,N) sur blocs C foyer = attribution infiltration-concentration surface matériau réfractaire. Accumulation → croissance cristaux accélérée → stabilisation dépôts.

Matériaux Ti chargés HF = réduits seulement par réduction directe : TiO2 + 2C = Ti + 2CO ; ΔH = 169 773 kcal/mol. Formation carbonitrures = processus diffusion → nécessite plus temps. Ti après réduction TiO2 précipite dans métal chaud, réagit C et N dissous → Ti(C,N) formant couche protectrice sur foyer. Formation réussie couche protection zones érodées dépend largement écoulement/transfert chaleur métal chaud → conditions exploitation four. Quantité matériau TiO2 nécessaire = suffisante pour couche protection mais minimisée (excès = effets néfastes post-traitement métal chaud/laitier). Mécanisme formation Ti(C,N) usure développé :

1. Fer métallique nécessaire catalyseur conversion TiO2 → Ti(C,N). Addition TiO2 dans HF → dissous phase laitier, réduit en Ti métallique par Si ou C à interface phase métal chaud/laitier : (i) TiO2 + C = Ti + CO2 et/ou (ii) TiO2 + Si = Ti + SiO2.
2. Ti formé dissout immédiatement dans métal chaud (haute solubilité).
3. Ti enrichi métal chaud transporté par écoulement vers zones endommagées foyer.
4. Ti dissous réagit C et N dissous métal chaud → composés Ti(C,N) : xTi + yC + zN = TiN, TiC, Ti(C,N).
5. Composés Ti(C,N) précipitent localisations T° plus basses (zones flux chaleur élevé) quand solubilité Ti(C,N) dans métal chaud faible. Figure 2 : visualisation mécanisme formation couche protection Ti(C,N) foyer HF. Morceau couche protection Ti(C,N) sur foyer prélevé HF après arrêt rechargement.

Facteurs affectant équilibre [Ti]/[TiO2] exploitation HF : (i) T° foyer, (ii) basicité laitier, (iii) niveaux Si métal chaud. Relations typiques T° vs charge TiO2 à différents équilibres Ti/TiO2 et Si métal chaud : Figure 3. Ti(C,N) point fusion 2959°C → précipitent fond/parois foyer. Accumulation protège face interne revêtement foyer → prolonge campagne HF. Prouvé par gros dépôts Ti(C,N) trouvés dans salamandres HF soufflés.

Méthode chargement TiO2 dans HF

Composés TiO2 ajoutés avec matériaux charge par sommet ou injectés par plusieurs tuyères. Cas chargement TiO2 avec charge sommet : distribution tout le long shaft → délai réaction. Quantités chargées > nécessaires, compromettant qualité laitier et dépôts occasionnels shaft (charge inactive). Normalement Ti uniformément distribué section transversale HF. Mais Ti nécessaire seulement zones paroi foyer. Donc quantités entrées plus élevées → effet négatif qualités MC/laitier. Augmentation teneur Ti MC par augmentation charge matériaux TiO2 → plus TiO2 contenu laitier → facteur limitant utilisation laitier additif ciment.

Matériaux TiO2 injectés = particules fines matériaux synthétiques TiO2. Injectés par tuyère voisinage foyer HF. Injection locale sources TiO2 fines par tuyères directement voisinage zone foyer = méthode plus efficace importation TiO2 dans HF. Avantages :

• Injection immédiat voisinage zones réfractaires menacées → meilleurs résultats systématiquement par faibles quantités entrées.
• Période délai plus courte avant action réparatrice, même cas « points chauds » paroi four.
• Pas d'accumulation matériaux TiO2 dans shaft HF.
• Matériaux TiO2 convoyés directement site réaction niveau tuyères et foyer, influençant directement interactions gaz/métal/laitier, indépendamment réactions shaft/zone cohésive.
• Débits entrée plus faibles + efficacité conversion Ti(C,N) supérieure → qualité laitier améliorée (teneurs TiO2 plus basses) → pas détérioration qualité laitier granulé HF.

Usage industriel source synthétique TiO2 = réduction considérable T° injection systématique zones critiques foyer. Injection de précision = réparation rapide zones endommagées cas « point chaud ». Système injection nécessaire pour produits synthétiques : silo stockage, sas pression, vessel alimentation, doseur rotatif buse éjection, lignes convoyage dimensionnées livraison simultanée jusqu'à 4 tuyères. Débit ~10-60 kg/min. Tuyères appropriées sélectionnées selon besoins. Automatisation → fonctionnement entièrement automatisé sauf remplissage silo.