Optimisation des opérations du haut fourneau avec des scories à haute teneur en alumine

Le processus du haut fourneau (HF) de production de fer consiste à produire de la fonte liquide (métal chaud) et des scories liquides par la réduction de matériaux ferreux (sinter, pellets et minerai en morceaux) avec du coke, et par le fluxage des matières gangues des matériaux d'alimentation. Ce processus résulte d'une série de réactions chimiques qui se déroulent dans le HF. Les matières gangues et les cendres de coke fondent pour former des scories avec les matériaux de fluxage. La séparation des scories de la fonte se fait à l'état liquide. Les scories ont un point de fusion plus bas et sont plus légères que le métal chaud. Dans le HF, elles se trouvent à une température plus élevée que la fonte. Une scorie de bonne qualité est nécessaire pour obtenir une fonte de bonne qualité.

Composition et importance des scories de haut fourneau

Les scories de HF contiennent principalement de la silice (SiO₂), de l'alumine (Al₂O₃), de la chaux (CaO) et de la magnésie (MgO), ainsi que de plus petites quantités de FeO (oxyde ferreux), MnO (oxyde de manganèse), TiO₂ (dioxyde de titane), Na₂O (oxyde de sodium), K₂O (oxyde de potassium) et S (soufre). La composition des scories a une influence majeure sur leurs caractéristiques physico-chimiques, qui à leur tour influencent les performances du HF. Les propriétés physico-chimiques des scories liquides jouent un rôle significatif dans la détermination du degré de désulfuration, du fonctionnement régulier du HF, de la manipulation des scories, de la consommation de coke, de la productivité du HF et de la qualité du métal chaud.

Quatre types de scories aux compositions distinctes sont produits dans différentes zones du HF en raison d'une série de réactions de réduction : la scorie primaire, la scorie du bosh, la scorie de la tuyère et la scorie finale, générées respectivement dans la zone cohésive, la zone de goutte, la raceway et le creuset. Un bon écoulement dépend principalement de la scorie finale, qui doit avoir une température de liquidus basse et une bonne fluidité.

Influence de la fluidité des scories sur le fonctionnement du HF

La fluidité des scories dans le HF affecte le comportement de ramollissement-fusion dans la zone cohésive, la perméabilité dans la partie inférieure du fourneau due à la rétention de liquide dans la zone de goutte, l'écoulement du liquide dans le creuset du fourneau, et la capacité de drainage des scories par la gueularde. La fluidité des scories est affectée par la température et la composition de ces dernières, cette dernière étant influencée par les minéraux gangues du minerai et les matières cendrées du coke et du charbon pulvérisé. Le rapport CaO/SiO₂ dans la composition des scories est normalement ajusté entre 1,2 et 1,3 par un matériau auxiliaire pour améliorer la fluidité et la capacité de désulfuration des scories. La concentration en Al₂O₃ dans les scories est considérée comme un facteur qui dégrade la fluidité, fixée semi-empiriquement à une limite supérieure d'environ 18 % (plus c'est bas, mieux c'est) afin d'éviter l'accumulation de fer et de scories et la détérioration de la perméabilité dans la partie inférieure du fourneau.

Si un minerai à haute teneur en Al₂O₃ est utilisé de manière extensive dans le HF, on observe un écart par rapport au système de scories normal vers un nouveau système de scories avec une teneur en Al₂O₃ pouvant atteindre 30 %. De plus, les récents changements de processus dans le HF, notamment l'augmentation de l'injection de charbon pulvérisé (PCI), ont également augmenté la concentration en Al₂O₃. Cela entraîne une transition du système de scories de type silicate vers un type aluminate. Les scories sont un système d'oxydes complexes, et leurs propriétés sont fortement liées à leur composition. Plusieurs études ont été menées pour déterminer les propriétés physico-chimiques des scories de HF. Cependant, la plupart de ces études portaient sur des scories de HF à faible teneur en Al₂O₃, normalement inférieure à 20 %.

Propriétés critiques des scories

Les propriétés des scories qui affectent le plus le fonctionnement sont la viscosité, la capacité sulfure, la capacité alcaline et la température de liquidus. Ces propriétés ont une grande influence sur l'ensemble du processus du HF. Les scories de HF à faible teneur en Al₂O₃ (généralement moins de 15 %) ont normalement une faible viscosité, une capacité sulfure élevée, une température de liquidus basse et un volume de scories plus faible comparé aux scories à haute teneur en Al₂O₃. Les scories à haute teneur en Al₂O₃ ont normalement une teneur en Al₂O₃ supérieure à 15 %. Elles sont rencontrées principalement en raison d'un rapport Al₂O₃/SiO₂ élevé dans le minerai de fer ainsi que dans le sinter, et d'une teneur élevée en cendres dans le coke. Ces scories sont hautement visqueuses.

Dans le cas de la production de fer au HF, la viscosité des scories est une propriété physique très importante car elle influence le fonctionnement du fourneau à bien des égards. La viscosité des scories est une propriété de transport qui se rapporte à la cinétique des réactions et au degré de réduction de la scorie finale. Elle détermine également l'efficacité de la séparation scorie-métal, et par conséquent le rendement métallique et la capacité d'élimination des impuretés. En exploitation, la viscosité des scories indique la facilité avec laquelle elles peuvent être écoulées du fourneau, et se rapporte donc aux besoins énergétiques et à la rentabilité du processus.

La viscosité des scories affecte la perméabilité au gaz, le transfert de chaleur, et la réduction de SiO₂, FeO, etc. Il est souhaitable de rechercher des systèmes de scories qui peuvent fournir une bonne fluidité même à basses températures. Plusieurs données sur la viscosité des scories de HF ont été rapportées, mais la plupart concernent des scories à faible teneur en Al₂O₃ (10 % à 15 %). De plus, ces données représentent des scories avec un rapport CaO/SiO₂ élevé, de très grandes quantités d'additifs comme FeO, TiO₂, Fe₂O₃, etc., qui ne sont pas si courantes dans la scorie finale de HF.

Impact de la teneur en Al₂O₃ sur les opérations

La teneur en Al₂O₃ des scories de HF dépend principalement de la teneur en Al₂O₃ des matériaux d'entrée, surtout du minerai de fer. Lorsque la teneur en Al₂O₃ du minerai est inférieure à 1 %, celle des scories dépasse rarement 10 %. Mais pour des minerais avec une teneur en Al₂O₃ de 2 % et plus, les niveaux dans les scories montent à 20 % et plus. Opérer un HF avec de telles scories à haute teneur en Al₂O₃ est assez difficile et nécessite des compétences différentes de la part des opérateurs, car l'augmentation de la teneur en Al₂O₃ entraîne des problèmes tels que l'accumulation excessive de scories liquides dans le creuset du HF et l'augmentation de la chute de pression dans la partie inférieure du fourneau. Il est donc important de maintenir la teneur en Al₂O₃ des scories dans une limite assurant une bonne fluidité pendant le fonctionnement du HF, afin d'assurer une bonne perméabilité et un bon drainage des scories lors de l'écoulement.

La viscosité des scories de HF dépend de la composition et de la température. Une faible viscosité aide non seulement à gouverner les vitesses de réaction par son effet sur le transport des ions dans la scorie liquide vers et depuis l'interface de réaction scorie/métal, mais assure aussi un fonctionnement régulier du fourneau. Tant l'augmentation des oxydes basiques que celle de la température au-dessus de la température de liquidus de la scorie diminuent la viscosité. Dans le système CaO-MgO-SiO₂-Al₂O₃, l'Al₂O₃ et le SiO₂ ne sont pas équivalents sur une base molaire dans leur effet, bien que les deux augmentent la viscosité de ces fondues. L'effet de l'Al₂O₃ sur la viscosité dépend de la teneur en chaux de la scorie. C'est parce que l'ion Al³⁺ peut remplacer l'ion Si⁴⁺ dans le réseau silicate seulement s'il est associé à l'ion Ca²⁺ pour préserver la neutralité électrique.

Le HF doit produire du métal chaud avec une teneur en S de l'ordre de 0,05 % ou moins. Il est donc toujours très intéressant de connaître la capacité de désulfuration des scories, ou en d'autres termes, le rapport de partage du S entre le métal chaud et les scories. Il a été montré que la répartition du S entre le métal et les scories atteint l'équilibre dans le HF pour des scories avec une teneur en Al₂O₃ très proche de 15 % ou moins. Ces scories ont des températures de liquidus inférieures à la température du fourneau et une faible viscosité. Ces conditions sont favorables à l'atteinte de l'équilibre.

Expérience sur scories à haute teneur en Al₂O₃

Afin de mener une évaluation systématique des effets de la concentration en Al₂O₃ dans les scories sur le fonctionnement du HF, axée sur le drainage des scories pour chaque zone du fourneau et la perméabilité dans la partie inférieure, du point de vue de la fluidité des scories, une expérience d'exploitation avec des scories à haute teneur en Al₂O₃ (20 % Al₂O₃) a été réalisée dans un HF expérimental (Fig. 1) au Japon.

Fig. 1 Vue en coupe transversale du haut fourneau expérimental

Certaines observations lors de l'expérience sont présentées graphiquement à la Fig. 2. Les résultats sont résumés ci-dessous :

• Le phénomène de drainage des scories dans le creuset du HF est un phénomène de fluidisation dominé par la viscosité. Le taux de drainage diminue à mesure que la viscosité des scories augmente. Ainsi, pour maintenir le drainage des scories sous une teneur élevée en Al₂O₃, l'augmentation de la concentration en MgO dans les scories est efficace. De plus, les effets de la température de cristallisation des scories sur le taux de drainage sont relativement faibles comparés aux effets de la viscosité.
• La chute de pression dans la zone de goutte augmente avec la concentration en Al₂O₃ dans les scories. Même si le rapport CaO/SiO₂ augmente, la chute de pression dans la zone de goutte augmente. Cette chute est principalement causée par l'effet de mouillabilité dû à la rétention statique des scories, et peu par les effets de la viscosité des scories de goutte et de la température de cristallisation. Dans les scories à haute concentration en Al₂O₃, pour supprimer l'augmentation de la chute de pression dans la zone de goutte, il est efficace de diminuer la rétention par la diminution du rapport CaO/SiO₂.
• La résistance perméable dans la zone cohésive est soumise à la concentration en Al₂O₃ en raison de l'indice de résistance perméable du minerai sinterisé à haute température. La résistance perméable augmente avec la concentration en Al₂O₃ dans le minerai. Par exemple, l'augmentation de la résistance perméable peut être supprimée par une augmentation du MgO dans le minerai. De ces considérations, lors de l'exploitation d'un HF avec des scories à haute teneur en Al₂O₃, les effets de la fluidité des scories sur chaque zone du fourneau ont été sondés et évalués systématiquement. En conséquence, pour maintenir correctement le drainage des scories et la perméabilité, il a été déterminé qu'une conception de scories de HF augmentant le MgO dans les scories et diminuant le rapport CaO/SiO₂ est efficace.

Fig. 2 Propriétés des scories influençant les opérations du HF

Effets de l'alumine élevée sur les scories

Une teneur élevée en Al₂O₃ dans les scories de HF a de nombreux effets néfastes. L'augmentation de l'Al₂O₃ dans le minerai de fer n'affecte pas seulement la résistance du sinter, mais aussi ses caractéristiques à haute température dans la zone cohésive. La concentration en Al₂O₃ dans les scories est considérée comme un facteur qui dégrade la fluidité et augmente la température de liquidus. Les effets de l'Al₂O₃ élevé dans les scories sont les suivants :

• Les scories à haute teneur en Al₂O₃ ont une viscosité élevée pour une basicité constante (CaO/SiO₂). Cependant, avec l'augmentation des oxydes basiques et de la température au-dessus de la température de liquidus, la viscosité des scories à haute teneur en Al₂O₃ diminue dans une certaine mesure.
• La viscosité des scories liquides dépend essentiellement de leur composition chimique et de leur température. C'est une variable de processus importante du processus HF. C'est la propriété de transport des scories qui se rapporte à la cinétique des réactions et au degré de réduction de la scorie finale. Une faible viscosité aide à gouverner les vitesses de réaction par son effet sur le transport des ions dans la scorie liquide vers et depuis l'interface scorie/métal. Elle détermine aussi l'efficacité de la séparation scorie-métal, le rendement métallique et la capacité d'élimination des impuretés. Elle assure également un fonctionnement régulier du fourneau.
• En exploitation du HF, le phénomène de drainage des scories dans le creuset est un phénomène de fluidisation dominé par la viscosité. Le taux de drainage diminue à mesure que la viscosité augmente.
• Les scories à haute teneur en Al₂O₃ ont une plus grande tendance à la réduction du silicium (Si) et il y a une tendance à l'augmentation du niveau de Si dans le métal chaud. Cela peut être dû soit à l'augmentation de la concentration d'équilibre du Si, soit à la non-atteinte des niveaux d'équilibre.
• La teneur en S du métal chaud tend à augmenter avec l'augmentation de la teneur en Al₂O₃ des scories. Ainsi, les scories à haute teneur en Al₂O₃ contribuent à une désulfuration moins efficace. On observe que non seulement la répartition d'équilibre du S entre le métal et les scories est affectée négativement, mais la vitesse d'atteinte d'un tel équilibre est également nettement plus lente. Par conséquent, la capture du S par les scories à haute teneur en Al₂O₃ est plus lente puisque l'équilibre n'est pas atteint dans le HF.
• La chute de pression dans la zone de goutte augmente avec la concentration en Al₂O₃ dans les scories. Même si le rapport CaO/SiO₂ augmente, la chute de pression dans la zone de goutte augmente. Elle est principalement causée par l'effet de mouillabilité dû à la rétention statique des scories, peu par les effets de la viscosité des scories de goutte et de la température de cristallisation. La résistance perméable dans la zone cohésive augmente avec la teneur en Al₂O₃ des scories.

Mesures correctives pour atténuer l'effet de l'alumine élevée

L'effet détériorant de l'Al₂O₃ élevé dans les scories est compensé par l'augmentation de leur teneur en MgO. La concentration en Al₂O₃ dans les scories est semi-empiriquement fixée dans de nombreux pays à une limite supérieure d'environ 16 % afin d'éviter l'accumulation de fer et de scories et la détérioration de la perméabilité dans la partie inférieure du HF.

L'augmentation de la résistance perméable dans la zone cohésive peut être supprimée par l'augmentation du MgO dans la charge. Les effets physiques de l'augmentation de la teneur en MgO dans les scories sont exactement opposés à ceux de l'Al₂O₃. Le MgO aide au maintien d'un bon drainage des scories du creuset lors de l'écoulement. À mesure que le niveau de MgO augmente dans les scories à haute teneur en Al₂O₃, la teneur en S du métal chaud s'améliore pour une gamme donnée de Si. Cela est probablement dû à la fluidité plus élevée des scories à haute teneur en MgO. Les scories à haute teneur en MgO sont avantageuses pour le contrôle du S et du Si. La diminution de la basicité des scories est également utile. Pour compenser l'effet détériorant de l'exploitation du HF avec des scories à haute teneur en Al₂O₃, les mesures importantes sont décrites ci-dessous.

Puisque l'augmentation du MgO dans les scories améliore le taux de drainage du creuset lors de l'exploitation avec des scories à haute teneur en Al₂O₃, le MgO dans les scories doit être maintenu à un niveau supérieur au niveau minimum. Un niveau plus élevé de MgO dans les scories améliore également la perméabilité dans la zone cohésive du HF.

Pour supprimer l'augmentation de la chute de pression dans la zone de goutte, il est important de diminuer la rétention des scories par la diminution du rapport CaO/SiO₂. La perméabilité de la zone de goutte est améliorée en diminuant le rapport CaO/SiO₂ dans les scories à environ 1 %.

Une autre méthode pour réduire l'effet de l'Al₂O₃ élevé dans les scories consiste à diluer le niveau d'Al₂O₃ dans les scories à des concentrations plus faibles par l'ajout de matériaux de formation de scories supplémentaires dans la charge du HF. Cependant, cela entraîne un volume de scories plus élevé et implique des taux de flux et de coke plus élevés et une productivité plus faible du HF. Cette méthode ne peut être utilisée que comme remède occasionnel.