Facteurs clés influençant la consommation de coke dans les opérations de haut fourneau

Facteurs affectant le taux de coke dans un haut fourneau

Le haut fourneau (HF) est un réacteur à courant inverse dans lequel le gaz réducteur est produit par la gazéification du carbone du coke de HF avec l'oxygène de l'air chaud soufflé injecté via les tuyères dans la partie basse du fourneau. Le gaz réducteur monte en réduisant les matériaux ferreux chargés au sommet du fourneau.

Le taux de coke est le paramètre de consommation de coke de HF mesuré en kilogrammes de coke de HF consommé par tonne de fonte produite.

Le coke de haut fourneau est un matériau clé pour la réduction du fer au HF, agissant comme source d'énergie majeure (combustible), réducteur, agent de cémentation et support structural perméable. Il n'existe pas d'autre matériau satisfaisant pouvant remplacer, totalement ou partiellement, le coke de HF comme support perméable de la charge du haut fourneau.

Le coke de HF est la matière première la plus importante alimentée dans le haut fourneau en termes d'effet sur l'exploitation du HF et la qualité de la fonte. Un coke de HF de haute qualité permet de supporter une descente fluide de la charge avec le moins de dégradation possible tout en apportant la plus faible quantité d'impuretés, la plus haute énergie thermique, la plus haute réduction du métal et une perméabilité optimale pour l'écoulement des produits gazeux et fondus. L'introduction de coke de HF de haute qualité dans un haut fourneau entraîne un taux de coke plus bas, une productivité plus élevée et un coût de fonte plus bas. Le rôle du coke dans l'amélioration de la performance du HF est montré à la Fig. 1.

Fig 1 Rôle du coke dans l'amélioration de la performance du HF

Une évaluation réaliste de la performance probable du coke dans un haut fourneau opérant avec ou sans technologie d'injection inclut les propriétés du coke reflétant sa résistance à la dégradation sous l'environnement chimique et thermique du HF. De telles propriétés, fournissant des directives pour l'utilisation du coke, concernent la taille des morceaux, la forme et l'uniformité de taille, la composition chimique, la résistance mécanique, et les stabilités thermique et chimique. Ainsi, le coke pour le HF doit être un compromis réussi entre structure et propriétés. Pour assurer une bonne performance du HF, le coke doit être modérément gros, avec une gamme de taille étroite, et avoir une résistance mécanique élevée pour résister aux réactions d'affaiblissement avec le dioxyde de carbone et les alcalins, à l'abrasion et au choc thermique dans le HF. En raison des nombreux facteurs inconnus, il n'est pas possible d'établir des indices de qualité universels communs à tous les hauts fourneaux, bien que des spécifications typiques pour la qualité du coke de HF soient disponibles.

Les impuretés présentes dans le coke de HF affectent sa performance en diminuant son rôle comme combustible en termes de quantité de carbone disponible pour les rôles de réduction directe et indirecte et aussi son rôle comme support perméable. Ces impuretés sont l'humidité, les matières volatiles, les cendres, le soufre, le phosphore et les alcalins. Leurs niveaux doivent être maintenus aussi bas que possible.

La teneur en humidité est une conséquence directe du processus de trempe du coke avec une certaine dépendance à la taille. Des teneurs en humidité élevées et variables affectent à la fois le taux de coke et les bilans dans le HF, tandis que des teneurs élevées en matières volatiles causent des problèmes opérationnels dans le nettoyage du gaz de HF.

Quant aux autres propriétés chimiques, le soufre et les cendres (teneur et chimie) sont particulièrement importants car à mesure qu'ils augmentent, la productivité du coke dans le HF diminue. La cendre de coke est une partie non productive du coke de HF qui influence le volume et la composition du laitier.

L'importance des propriétés physiques du coke de HF est liée à la nécessité de supporter la charge ferreuse et de donner une matrice perméable à travers laquelle les gaz réducteurs peuvent s'écouler et les matériaux fondus peuvent percoler dans la région basse du HF. Ces propriétés physiques sont liées à sa taille (moyenne et distribution) et sa résistance à la rupture et à l'abrasion. La taille du coke de HF est principalement contrôlée par criblage. Une taille moyenne grande avec une distribution étroite maintient une perméabilité adéquate.

Bien que les indices de résistance mécanique du coke de HF fournissent aux opérateurs une évaluation utile de la performance, ils ne forment qu'une partie de l'image globale. Les tests d'évaluation de la résistance mécanique sont effectués à température ambiante et ne prennent donc pas en compte les conditions de processus du coke dans le HF. Ainsi, les tests comme CSR (résistance du coke après réaction) et CRI (indice de réactivité du coke) fournissent de meilleurs indices de résistance.

Le coke de HF se dégrade pendant sa descente dans le HF. La dégradation est causée par la charge mécanique, l'attrition, le stress thermique, les réactions de gazéification, les composés inorganiques présents dans les gaz de HF, et la graphitisation. La matière minérale dans le coke de HF joue un rôle majeur dans le caractère et l'étendue de ces voies de dégradation, directement et indirectement.

Le processus de réduction du fer dans un haut fourneau consiste en un système multivarié soumis à un grand nombre de variables inter-influentes affectant la consommation de coke de HF. Il est nécessaire d'isoler l'inter-influence des variables pour comprendre le rôle joué par chaque variable sur le taux de coke pendant la réduction du fer dans le HF.

Un haut fourneau efficace opère à un faible taux de coke. Une exploitation efficace nécessite une augmentation du débit de gaz, ce qui implique une amélioration de la perméabilité du fourneau et d'autre part une réduction du besoin spécifique en gaz, ce qui signifie une réduction de la consommation spécifique de coke de HF. De nombreux facteurs influencent le taux de coke de HF. Les principaux sont décrits ci-dessous.

Combustible/agent réducteur

Deux types de combustibles/agents réducteurs sont utilisés dans le HF : le coke de HF chargé par le sommet et le charbon pulvérisé/gaz naturel/gaz de cokerie/fuel/charbon de houille injectés au niveau des tuyères.

1. Pendant la production de fonte, le taux de coke de HF est influencé de plusieurs façons. Une teneur élevée en cendres dans le coke signifie charger le HF avec plus de matière formant le laitier qui doit être fluxée pour former le laitier. Cela résulte en volumes de laitier plus élevés. Selon une règle empirique, 1 % de réduction de la teneur en cendres du coke de HF entraîne une diminution du taux de coke de 1 % à 1,5 %. D'autres propriétés du coke affectant le taux sont CSR, CRI, et indices Micum (M40 ou I40 et M10 ou I10). Ces paramètres affectent la perméabilité dans le haut du fourneau et la résistance mécanique du coke au niveau des tuyères. M40 représente la concassabilité du coke et M10 l'usure. Des valeurs plus élevées de CSR et M40 et des valeurs plus basses de CRI et M10 améliorent le taux de coke. La teneur en soufre du coke affecte aussi le taux. Une diminution de 0,1 % de la teneur en soufre améliore la productivité du HF d'environ 1,0 %.
2. Le combustible (charbon pulvérisé/gaz naturel/COG/fuel/charbon de houille) injecté au niveau des tuyères est normalement accompagné d'un enrichissement en oxygène de l'air chaud soufflé. L'injection d'oxygène réduit le débit spécifique du gaz, causant une réduction de la température de gueulard et une augmentation de la température adiabatique de flamme (RAFT) aux tuyères. Ces effets sont compensés par l'injection de combustible de substitution. Ainsi, une injection combinée d'oxygène et de combustible au niveau des tuyères diminue le taux de coke. Une tonne d'injection de charbon pulvérisé remplace environ 0,9 à 1,0 tonne de coke de HF. Une réduction similaire du taux de coke a lieu avec d'autres injections de combustible. L'injection d'oxygène seule ne réduit pas le taux de coke mais améliore la productivité du HF.

Matières premières

Il y a essentiellement deux types de matières premières majeures chargées dans un HF.

1. Les matériaux ferreux : aggloméré (sinter), granulés (pellets) et minerai de fer calibré (CLO). Une teneur en fer (Fe) plus élevée signifie moins de gangue entrant dans le fourneau qui doit être fluxée pour la formation du laitier. Donc une teneur Fe plus élevée aide à réduire le volume de laitier et le taux de coke. Règle empirique : 1 % d'augmentation de la teneur Fe réduit le taux de coke de 0,8 % à 1,2 %.
2. Les différents types de flux (calcaire, dolomie, quartzite, etc.). Le calcaire et la dolomie chargés dans le HF se calcifient à l'intérieur. Cette réaction de calcination a besoin de chaleur ce qui augmente la consommation de coke. Si ces flux sont chargés via l'aggloméré ou les granulés, la calcination a lieu hors du HF et le volume de travail est utilisé plus efficacement par les matériaux ferreux. Cela réduit le taux de coke. Généralement, une réduction de 100 kg de flux dans la charge améliore le taux de coke de 20 à 35 kg/t HM.
3. Pour un taux de coke plus bas, il est essentiel que les matériaux de charge fournissent une perméabilité et une homogénéité élevées dans toutes les zones de température et de réaction. Les matériaux doivent aussi avoir une réductibilité élevée pour favoriser un temps de rétention court et une faible teneur en éléments parasites (zinc, plomb, alcalins) pour éviter les perturbations.
4. Le taux de coke dépend aussi de la qualité de l'aggloméré. Celui-ci doit avoir une distribution granulométrique optimale, une résistance élevée, une réductibilité élevée, une porosité élevée, des températures de ramollissement > 1250 °C, une teneur en FeO constante 7-8 % et une basicité constante.

Autres facteurs

• Le contrôle de la répartition de la charge joue un rôle important dans la réduction du taux de coke. Il assure une descente stable, ajuste le flux de gaz dans la paroi (évite les charges thermiques élevées sans zone inactive) et aide à obtenir un bon contact solide-gaz.
• La diminution de la teneur en silicium dans la fonte a un effet positif sur le taux de coke. La diminution est due à une meilleure relation minerai-coke et au déplacement de la zone cohésive vers le bas, générant un volume plus faible pour le transfert de silicium. Une diminution de 1 % du Si améliore le taux de coke de 5 % à 15 %.
• Les propriétés du laitier ont un effet considérable. Un volume spécifique de laitier plus bas et une viscosité plus faible améliorent le taux de coke.
• La pratique de coulée a aussi un rôle important. Une bonne pratique implique : bonne longueur de tuyère, ouverture opportune, contrôle de la vitesse, bon drainage du foyer, fermeture après assèchement. La qualité de la masse de tuyère est très importante.
• Le contrôle automatique du processus améliore la productivité car il minimise la consommation de réducteur, évite les perturbations (accrochage, glissement, échafaudage, canalisation de gaz) par contre-action immédiate, stabilise les paramètres fonte/laitier. L'effet sur le taux de coke est de 3 % à 5 %.
• La température de soufflage influence le taux de coke. Le taux réduit d'environ 2 % avec une augmentation de 100 °C de la température de soufflage.
• Une pression de gueulard élevée réduit aussi le taux de coke. Chaque augmentation de 0,1 kg/cm² réduit le taux d'environ 0,1 %.
• La diminution des fines dans les matériaux de charge améliore le taux de coke de 0,4 % à 0,7 %.