Four à arc submergé : alimenter la sidérurgie moderne

Fours à arc submergé

L'utilisation industrielle de l'énergie électrique a commencé avec le développement de la machine dynamo par Werner von Siemens. Les fours à arc électrique sont utilisés depuis de nombreuses années tant pour la fusion de ferraille (fours à arc découvert) que pour les processus de réduction (fours à arc submergé). Dans le cas du four à arc submergé (SAF), le minerai et l'agent réducteur sont alimentés en continu par le haut de sorte que les électrodes sont enfouies dans le mélange et l'arc est submergé. Le four est nommé four à arc submergé car l'arc est submergé. La disposition physique la plus courante consiste en une cuve circulaire avec trois électrodes verticales disposées en triangle. Des fours à six électrodes avec cuves circulaires ou rectangulaires sont également utilisés mais ils sont moins courants.

Les fours à arc submergé ont trouvé leur application dans plus de 20 domaines industriels principaux différents tels que les ferro-alliages, l'industrie chimique, le plomb, le zinc, le cuivre, les réfractaires, le dioxyde de titane, le recyclage, le phosphore, etc. Un schéma typique d'un four à arc submergé pour la production de ferrochrome avec bilan matière est donné à la Fig. 1.

Fig 1 Schéma typique d'un four à arc submergé pour la production de ferrochrome avec bilan matière.

Historique

La demande croissante de ferro-alliages et d'agents de désoxydation dans la sidérurgie au début du XXe siècle a conduit au développement du premier four à arc submergé. La construction du premier SAF a commencé en 1905. Cette unité de 1,5 MVA a été installée à Horst Ruhr, Essen, Allemagne pour la production de carbure de calcium. Elle a été mise en service avec succès en 1906 et était basée sur la technologie DC (courant continu).

Depuis lors, un grand nombre de SAF (tant avec des fours DC qu'AC) ont été mis en service avec des applications diverses. Aujourd'hui, la majorité des fours à arc submergé sont basés sur des concepts AC (courant alternatif).

Principes et caractéristiques du SAF

Le principe d'un SAF conventionnel est le chauffage par résistance électrique. L'énergie électrique est convertie en chaleur et en énergie de réduction en utilisant la résistance (R) de la charge ou de la laitier fondu, parfois renforcée par la résistance électrique d'un arc entre le laitier et l'électrode. L'énergie est transmise au foyer du four par des électrodes en carbone. La puissance du four est le produit de la résistance du foyer et du carré du courant d'électrode. Par conséquent, une augmentation limitée du courant d'électrode peut entraîner une augmentation relativement importante de la charge.

Caractéristique du processus en SAF : l'électrode pénètre à travers la matière première vers le bas jusqu'au foyer au-dessus du bain de métal. Normalement, le laitier pénètre dans ce lit de coke, mais pas assez pour être en contact avec la pointe de l'électrode. La chaleur électrique pour la fusion est développée dans le voisinage immédiat de la pointe de l'électrode où la majeure partie de la chute de tension est concentrée. Le lit de coke chauffé a une conductivité électrique et thermique très élevée comparé à la charge froide. Par conséquent, seule une partie mineure du courant sort des flancs de l'électrode. Le lit de coke conduit également la chaleur vers les zones de fusion loin de l'électrode. Les gaz de réaction de la zone de fusion, principalement du CO (monoxyde de carbone), passent vers le haut à travers les matières premières descendantes, les préchauffant partiellement en cédant leur chaleur sensible et provoquant partiellement une réduction à l'état solide des oxydes de fer supérieurs.

Cependant, l'épaisseur de la zone où les matériaux sont chauffés à la température de réaction est si faible que le gaz n'a pas un temps de rétention suffisant pour donner une réduction extensive. Une pré-réduction de 10 % à 20 % est normale en opération à charge froide.

L'équation de base pour la puissance d'entrée dans le four est donnée par P = 3E Cos φ I = 3RI², où P est la puissance, E la tension de face entre transformateur et foyer du four, I le courant d'électrode et R la résistance ohmiique du foyer. Pour le facteur de puissance : FP = Cos φ = V [R/(R²+X²)], où R et X sont respectivement la résistance ohmiique et la réactance du système. La réactance du four X est principalement déterminée par les dimensions du four et l'arrangement électrique et est proche de constante tant que les mêmes conditions générales d'exploitation sont maintenues. Sans considérer le facteur de puissance sur le réseau électrique, la résistance ohmiique du foyer et l'ampérage admissible dans les électrodes sont les paramètres déterminants pour la charge dans un four.

Cependant, l'effet d'un faible facteur de puissance peut facilement être compensé par l'installation de batteries de condensateurs pour corriger le facteur de puissance sur le réseau.

Il existe différents moyens de réguler la résistance ohmiique par le choix des matières premières et surtout la granulométrie et la qualité du matériau carboné. Cependant, quelques facteurs majeurs nécessitent une attention particulière :

• La tendance à accumuler un grand lit de coke donne normalement une résistance ohmiique décroissante.
• Le matériau conducteur dans la charge tend à donner un flux de courant depuis les flancs des électrodes, ce qui entraîne à nouveau une résistance réduite.
• L'augmentation de la température sur les flancs des électrodes augmente la possibilité de flux de courant depuis les flancs et diminue ainsi la résistance totale.

L'expérience des SAF conventionnels montre que leur économie dépend de la disponibilité d'énergie électrique bon marché. De plus, les exigences de types spécifiques d'agents réducteurs pour contrôler la résistivité électrique dans le four sont importantes. Le faible temps de rétention dans le four comparé à celui du haut fourneau donne l'opportunité de réduire la réduction à l'état solide et l'utilisation du gaz à l'intérieur du four. Les gaz de sortie représentent donc une grande proportion de l'apport de chaleur dans le processus et l'utilisation significative du gaz est un facteur majeur dans l'économie du processus.

La qualité de la matière première a le plus grand impact sur le processus. D'une part, elle affecte la composition du laitier et d'autre part le schéma de fusion à l'intérieur du four (basé sur les propriétés physiques et la quantité d'apport d'énergie).

Les propriétés physiques déterminent si le four peut fonctionner en : (i) mode résistance conventionnel utilisant la résistance électrique du laitier, ou (ii) mode arc blindé utilisant la résistance électrique du laitier et de l'arc ou utilisant la résistance électrique du mélange d'alimentation.

Caractéristiques du SAF

Un SAF typique avec opération à laitier comprend une enceinte de four circulaire ou rectangulaire avec des trous de coulée séparés pour le laitier et le métal. Pour certains procédés, le laitier et le métal sont coulés par un seul trou de coulée et séparés en aval par coulée en cascade ou écumeurs. L'enceinte du four est revêtue de réfractaire et – si un refroidissement supplémentaire de l'enceinte est requis par le processus – refroidie à l'eau par un système spécial de refroidissement de paroi latérale. Le fond de l'enceinte est généralement refroidi par ventilation forcée à l'air. Les électrodes sont consommées par le bain du four. Les électrodes auto-cuites avec gaines ou électrodes précuites sont périodiquement prolongées par de nouveaux morceaux. L'électrode est semi-automatiquement glissée dans le bain avec le four à pleine charge électrique et sans interruption de l'exploitation du four.

Les ensembles de colonnes d'électrodes contiennent toutes les installations pour maintenir, glisser et réguler la pénétration dans le bain. Toutes les opérations sur les électrodes sont effectuées hydrauliquement.

L'énergie électrique est normalement fournie depuis le transformateur du four via des lignes à fort courant, des tubes de bus flexibles refroidis à l'eau aux électrodes et les pinces de contact vers les électrodes. Si le processus génère des gaz de sortie contenant une certaine quantité de CO, le four est normalement conçu comme un type de four fermé et les gaz de sortie sont collectés et utilisés pour d'autres applications telles que la production d'énergie, le chauffage, le pompage, la génération de vapeur, etc.

Les principales caractéristiques normales des fours à base AC sont les suivantes :

• Colonnes d'électrodes à faible maintenance pour divers types d'électrodes
• Dispositif de maintien et de glissement d'électrodes robuste et sûr
• Conception robuste du four n'autorisant pas le bombement/mouvement
• Système de chargement par électrodes creuses
• Conception de toiture étanche au gaz et refroidie à l'eau fournissant un gaz riche en CO de haute qualité
• Application d'un système de récupération d'énergie possible

Fours DC conventionnels

Les fours DC sont généralement de type circulaire et l'énergie électrique est convertie en chaleur principalement par l'arc, établi entre la pointe de l'électrode et le bain de laitier. L'électrode supérieure est connectée comme cathode et le système de fond conducteur comme anode. Un four typique avec opération à bain de laitier ouvert comprend généralement 1 à 3 trous de coulée de laitier et 1 à 2 trous de coulée de métal à une élévation inférieure. Le four nécessite des arrangements de refroidissement avancés dans la zone de la toiture et de la paroi latérale en raison du fait que la température du laitier liquide est en contact direct avec le matériau réfractaire et du rayonnement thermique de l'arc. Le concept réfractaire est généralement soigneusement conçu pour s'adapter à ces conditions agressives. L'électrode est consommée par le processus du four. Les électrodes précuites sont périodiquement prolongées par de nouveaux morceaux. Les concepts conventionnels appliquent un bras d'électrode pour réguler l'électrode. Les fonctions mécaniques et les principes de transfert de puissance électrique sont similaires aux colonnes d'électrodes conventionnelles à base AC.

Les fours DC peuvent également être conçus comme type four fermé et le CO peut être collecté. La consommation d'énergie peut être optimisée grâce au régulateur combiné de mouvement d'électrode avec contrôleur d'allumage thyristor et vitesse d'électrode élevée. Le système de colonne d'électrode DC permet généralement le glissement et le nippage sous pleine puissance (offrant un temps de puissance maximal). Un dispositif de pièce centrale à changement rapide est essentiel pour un temps de fonctionnement maximal. Dans les fours DC, un arrangement d'alimentation intelligent est normalement nécessaire pour maximiser le débit et la durée de vie du réfractaire. Les autres caractéristiques d'un four DC incluent :

• Conception robuste de l'enceinte
• Système de chargement par électrodes creuses
• Systèmes de refroidissement de toiture et paroi latérale conçus pour soutenir une protection suffisante à un niveau de consommation d'énergie modéré

Le four DC fonctionne généralement avec un arc découvert, qui fond le matériau dans un temps très court. Le matériau peut être chargé à travers le système d'électrodes creuses directement dans l'arc. Normalement, l'arc danse à la pointe de l'électrode. Il est donc également pratique de charger le matériau directement autour de la pointe de l'électrode. Dans certains fours, il est possible d'empiler une couche de protection de paroi latérale avec le matériau chargé. La plupart des procédés, où le laitier est surchauffé, n'autorisent pas ce type de protection de paroi latérale. On peut généralement affirmer que la consommation d'énergie globale d'un four DC est plus élevée par rapport à un four AC pour les raisons suivantes :

• Il y a une charge de chaleur radiante plus élevée dans le volume libre du four
• Il y a une exigence de refroidissement supplémentaire du four due à des températures de processus plus élevées
• Il y a un degré élevé de fumées métalliques qui consomme de l'énergie supplémentaire

L'avantage du four DC est l'utilisation directe de matériau fin éliminant la nécessité d'investir dans un processus d'agglomération intensif en amont du four. De plus, le niveau de prix inférieur du matériau fin aide à réduire les coûts d'exploitation globaux.

Applications du SAF

Les domaines d'application du SAF incluent la production de ferrochrome, ferronickel, ferromanganèse, silicomanganèse, ferroniobium, ilménite (laitier TiO2) ainsi que le potentiel pour le recyclage des déchets.

À l'origine, les ferro-alliages étaient exclusivement produits dans des hauts fourneaux spéciaux ce qui résultait en une fonte consistant en de faibles à moyennes teneurs en silicium, chrome et manganèse. Le type de fusion et d'équilibre métallurgique déterminait la teneur en carbone de ces alliages. Le four à arc submergé est une unité bien mieux qualifiée pour produire des ferro-alliages en ce qui concerne le contrôle de la température et l'ajustement à différents potentiels de réduction. Au fil du temps, une industrie indépendante des ferro-alliages s'est établie qui répond aux demandes en permanence croissantes de l'industrie sidérurgique. La majorité des ferro-alliages est produite par fusion pyrométallurgique se déroulant dans des fours à arc submergé. La forte compétitivité des fours à arc submergé dans ce secteur a été principalement atteinte par l'installation d'unités de fusion de haute puissance avancées.

Actuellement, plus de 99 % de la production de ferro-alliages et de TiO2 est réalisée dans des fours à arc submergé AC. Il n'y a pas d'application en pyrométallurgie pour les fours DC qui ne puisse être réalisée dans des fours AC.

Le développement de grands systèmes d'électrodes, de technologies de transformateurs avancées et de nouveaux principes de construction de fours a permis la conception de grands SAF rectangulaires d'une capacité allant jusqu'à 36 m de long et 17 m de large. D'un point de vue technologique, des unités encore plus grandes sont possibles mais leur faisabilité économique doit être vérifiée soigneusement.

Actuellement, des SAF de grande capacité de 120 MVA, fours rectangulaires avec système de refroidissement thyristor + cuivre et four DC de 70 MW pour le ferrochrome ont été installés.

De nouveaux développements sont reconnus pour les procédés appliquant une opération à bain de laitier accrue dans la construction d'unités hautement efficaces avec une densité de puissance élevée. La densité de puissance plus élevée dans le four cause des flux de chaleur plus élevés à travers la paroi latérale, ce qui nécessite l'application de nouveaux concepts de refroidissement.

Les systèmes de contrôle ont également traversé une évolution significative au cours des dernières décennies comme indiqué ci-dessous :

• 1906 – Contrôle manuel
• 1955 – Contrôleur à balancier électrique
• 1960 – Contrôleur à bobine mobile
• 1965 – Contrôleur à transducteur
• 1975 – Contrôleur à transistor
• 1985 – Contrôleur H&B
• 1995 – Contrôleur logiciel

Depuis la fin des années 1950, tous les SAF sont équipés de contrôleurs d'électrodes. Les fours à arc submergé avancés d'aujourd'hui utilisent des contrôleurs logiciels. L'application DC pour la technologie des fours à arc submergé montre une part croissante dans les domaines de niche, en particulier dans certaines unités de production de ferro-alliages, de nettoyage de laitier et de TiO2. Néanmoins, la majorité des fours à arc submergé est et restera basée sur la technologie AC.