Stratégies efficaces de décharge et de transport à chaud du fer réduit direct

Options de décharge pour le fer réduit direct (FRD) et son transport à chaud

Les deux principales méthodes de production de fer réduit direct (FRD) sont : (i) le procédé à base de gaz dans un four à arbre vertical et (ii) le procédé à base de charbon dans un four rotatif. Dans les deux procédés, les réactions de réduction se font à l'état solide et les températures maximales des fours sont dans la gamme de 850 °C à 1050 °C.

Procédé à base de charbon

Dans le procédé à base de charbon, le FRD produit est mélangé avec du char qui doit être séparé du FRD. Donc, le mélange FRD-char est refroidi dans un refroidisseur rotatif et ensuite le char est séparé du FRD par le processus de séparation magnétique.

Procédé à four à arbre vertical

Dans le cas des procédés à four à arbre vertical, comme le char n'est pas présent avec le FRD, il y a trois options de décharge disponibles. Ce sont : FRD froid (CDRI), fer briqueté à chaud (HBI) et FRD chaud (HDRI).

La plupart des fours à arbre vertical pour FRD ont été construits pour la production de CDRI. Dans ces fours, le FRD produit après réduction est refroidi dans la partie inférieure du four à environ 50 °C. Le CDRI est stocké temporairement dans des silos pour passivation avant d'être transporté vers un atelier de fusion d'acier voisin pour son utilisation ultérieure. Le CDRI a la propriété d'auto-inflammation et nécessite des précautions spéciales pendant le transport et le stockage comme requis par l'Organisation Maritime Internationale (OMI). Le CDRI est le matériau le plus adapté pour le chargement continu dans le four à arc électrique (FAE).

L'HBI est produit depuis plus de 30 ans. C'est la méthode souhaitable de préparation du FRD pour le stockage et son transport par navires maritimes. Pour la production d'HBI, le FRD chaud est déchargé du four à arbre vertical à une température d'environ 700 °C. Le FRD chaud est envoyé aux machines de briquetage pour le comprimer en briquettes en forme d'oreiller avec des dimensions typiques de 30 mm x 50 mm x 110 mm. L'HBI est 50 % plus dense que le CDRI et, pour cette raison, la tendance à la réoxydation de l'HBI est grandement réduite. Cela permet à l'HBI d'être stocké et manipulé sans précautions spéciales, comme reconnu par l'OMI. L'HBI peut être transporté et manipulé en utilisant l'équipement de manutention de ferraille et peut être facilement chargé par lots dans le FAE. L'HBI peut également être chargé en continu dans un FAE avec des systèmes spécialement conçus.

L'HDRI est déchargé du four à arbre vertical à une température d'environ 700 °C et transporté à chaud vers l'atelier de fusion d'acier pour le chargement direct du FRD dans le four à arc électrique (FAE) à chaud. Le chargement de FRD chaud dans le FAE directement depuis un four à arbre vertical FRD est connu sous le nom de chargement à chaud.

Avantages du chargement à chaud

Le chargement à chaud procure deux avantages majeurs. Ce sont la réduction de la consommation d'énergie et l'amélioration de la productivité du FAE. Actuellement, la plupart des ateliers de fusion d'acier dans le monde ont des systèmes de chargement à chaud pour le FAE. En fait, aujourd'hui, les ateliers de fusion d'acier ont des systèmes d'alimentation pour FAE qui peuvent choisir entre des matériaux froids ou chauds. L'économie d'énergie se produit dans le cas du chargement d'HDRI en raison de la moindre exigence d'énergie dans le FAE pour chauffer le FRD à sa température de fusion. La règle empirique est que la consommation d'électricité est réduite d'environ 20 kWh/tCS pour chaque augmentation de 100 °C de la température de chargement du FRD. Ainsi, l'économie minimale lors du chargement de FRD chaud à plus de 600 °C dans le FAE est de 120 kWh/tCS. Un avantage additionnel des économies d'énergie électrique est la réduction de la consommation d'électrodes, car il existe une relation linéaire. Une économie de la consommation d'électrodes de l'ordre de 0,5 à 0,6 kg/t d'acier liquide est attendue.

L'augmentation de la productivité du FAE due au chargement de FRD chaud est significative car l'utilisation de FRD chaud réduit le temps entre coulées (tap-to-tap time) et donc la durée de la chauffe. Par rapport au chargement de FRD froid, une augmentation de productivité jusqu'à 20 % est atteinte avec le chargement de FRD chaud. L'utilisation d'HDRI entraîne également une réduction de la consommation spécifique de réfractaires. L'économie de la consommation de réfractaires est de l'ordre de 1,8 à 2 kg/t d'acier liquide.

Il y a aussi des avantages environnementaux du chargement de FRD chaud. Conserver la chaleur sensible dans le FRD au lieu de la dissiper dans l'atmosphère réduit les émissions globales de deux façons. Premièrement, la demande d'électricité plus faible réduit les émissions des centrales électriques par tonne d'acier produite. Deuxièmement, pour les FAE utilisant l'injection de carbone, les besoins énergétiques réduits dans le FAE entraînent moins de CO2 émis.

Transport de l'HDRI

Le transport de l'HDRI est critique à plusieurs égards. La difficulté avec le transport de l'HDRI n'est pas seulement que le matériau est chaud, mais aussi qu'il doit être maintenu dans une atmosphère non oxydante. C'est une exigence critique car la méthode de transport de l'HDRI du four à arbre FRD au FAE doit être capable de livrer l'HDRI sans affecter négativement la qualité du FRD. Elle doit également fournir une flexibilité opérationnelle maximale. De plus, le système doit être fiable, facile à maintenir et simple à opérer.

Il y a quatre alternatives qui sont commercialement disponibles pour le transport de l'HDRI. Chacune de ces alternatives a sa meilleure application, selon des facteurs tels que la distance de transport, l'agencement des composants et les capacités de convoyage. Ces quatre alternatives sont décrites ci-dessous.

Procédé HYTEMP

Ce procédé a été développé par Tenova HYL et installé à l'usine Ternium Monterrey en 1998 et est un procédé de transport pneumatique pour le transport de l'HDRI. Le système fonctionne en utilisant un gaz de transport (soit un gaz inerte, soit le gaz de procédé lui-même) pour transporter l'HDRI à travers un tuyau pneumatique vers un silo de stockage au-dessus du FAE. Le gaz de transport est retiré du circuit et recyclé vers l'usine de réduction directe et l'HDRI est chargé dans le silo de stockage pour une alimentation continue vers le FAE. Dans ce système, il n'y a pas de pièce mécanique. Les particules fines du four à arbre de réduction directe sont transportées avec le matériau grumeleux et amortissent la ligne de transport. Ces fines sont également chargées dans le FAE avec les grumeaux de FRD, augmentant ainsi le rendement. Le système est schématiquement montré dans la Fig 1.

Fig 1 Schéma du procédé HYTEMP

Procédé HOTLINK

Ce procédé utilise principalement le transport par gravité et a été mis au point par Midrex. Ce procédé utilise la même technologie que celle utilisée pour l'alimentation par gravité de l'HDRI pour la production d'HBI. L'HDRI du four à arbre de réduction directe est déchargé dans un silo tampon à l'extérieur et au-dessus de l'atelier de fusion d'acier. De ce silo tampon, l'HDRI est directement alimenté par gravité vers le FAE. Les modules HOTLINK sont équipés pour gérer toute condition de perturbation via le silo tampon. Ce système fournit l'HDRI au FAE selon la demande du FAE. Le procédé HOTLINK est utilisé lorsque la distance entre le four à arbre de réduction directe et le FAE est inférieure à 40 mètres. Le procédé est montré schématiquement dans la Fig 2.

Fig 2 Schéma du procédé HOTLINK

Système de convoyeur de transport à chaud

Lorsque l'atelier de fusion d'acier n'est pas adjacent au four à arbre de réduction directe (plus de 40 m mais moins de 100 m), un convoyeur mécanique isolé est utilisé pour le transport de l'HDRI vers l'atelier de fusion d'acier. Dans ce cas, le FRD est déchargé du four à arbre de réduction directe sur un convoyeur entièrement fermé et isolé, conçu pour minimiser la perte de température et prévenir la désoxydation. Le convoyeur a des godets spécialement formés qui ont une forme similaire à des seaux (Fig 3). La hotte fermée du convoyeur contient un système d'inertage. Le convoyeur fournit un fonctionnement fiable à des coûts raisonnables. L'HDRI est alimenté vers l'un des deux silos HDRI situés au-dessus du FAE. Lorsque l'un de ces silos décharge l'HDRI vers le FAE, le second silo est rempli d'HDRI par le convoyeur. Le schéma du système de convoyeur de transport à chaud est montré dans la Fig. 4.

Fig 3 Convoyeur de FRD chaud

Fig 4 Schéma du système de convoyeur de transport à chaud

Transport par récipients de transport à chaud

Lorsque la distance entre le four à arbre de réduction directe et le FAE est supérieure à 100 mètres ou qu'un four à arbre de réduction directe doit alimenter deux ateliers de fusion d'acier ou plus, le transport de l'HDRI peut être fait avec l'utilisation de récipients isolés, ayant normalement une capacité de 60 à 90 tonnes. Du four vertical de réduction directe, le récipient est rempli à travers un tuyau avec un joint étanche à l'air. Après qu'un récipient est rempli, le tuyau est fermé et un autre récipient commence à se remplir, le récipient rempli est transporté vers l'atelier de fusion d'acier soit sur rails, soit sur camions. Essar Steel a été le pionnier de l'utilisation de récipients de transport à chaud dans les années 1990. Le schéma du transport de l'HDRI par récipients de transport à chaud est montré dans la Fig 5.

Fig 5 Schéma du transport de FRD chaud par récipient de transport à chaud