Optimisation des opérations de haut fourneau avec granulés de minerai de fer

Utilisation des granulés de minerai de fer dans la charge du haut fourneau

La granulation est un procédé qui consiste à mélanger des particules très finement broyées de minerai de fer (fines < 200 mesh) avec des additifs comme la bentonite, puis à les former en grumeaux ovales/sphériques de 8-20 mm par un granulateur et à durcir les boules par cuisson avec un combustible. C'est le procédé de conversion de fines de minerai en « granulés de minerai de fer de taille uniforme » qui peuvent être chargés directement dans un haut fourneau. La Fig. 1 montre des granulés de minerai de fer.

Fig 1 Granulés de minerai de fer

Il existe plusieurs procédés/technologies de granulation. Cependant, actuellement, le procédé à grille voyageuse droite (STG) et le procédé grille-four (GK) sont les plus populaires.

Propriétés physiques des granulés

• Taille : 8-20 mm
• pH (40 g/L, 20 °C ; boue dans l'eau) : 5,0-8,0
• Point de fusion : 1500-1600 °C
• Densité apparente : 2,0-2,2 t/m³
• Indice de tumbling (+6,3 mm) : 93-94 %
• Indice d'abrasion (-0,5 mm) : 5-6 %
• Résistance à la compression (daN/p) : ~250
• Porosité : > 18 %

Analyse chimique des granulés

	Grade HF	Grade FRD
Fe %	63-65,5	65-67,8
SiO2 + Al2O3 %	< 5	< 5
CaO + MgO %	Jusqu'à 3	Jusqu'à 0,10
P max %	0,05	0,05
S max %	0,01	0,01
Basicité min %	0,5
Désintégration (-3,15 mm) %	2
Indice de gonflement %	13-18
Réductibilité %	65

Tests normes ISO pour granulés

Test norme ISO	Valeurs de mesure	Objectif
ISO 4700 / Résistance à l'écrasement	daN	Résistance à froid du granulé
ISO 3271 / Résistance au tumbling	Fractions +6,3 mm et -0,5 mm	Tendance à l'abrasion
ISO 13930 / Désintégration réduction basse température	Fractions +6,3, -3,15 et -0,5 mm	Tendance à la dégradation basse température
ISO 4698 / Gonflement libre	Volume %	Tendance au gonflement
ISO 4695 / Réductibilité	Taux de réduction à 40 % réduit	Réductibilité
ISO 7992 / Réduction sous charge	1. Taux réduction à 40 % réduit	Réductibilité, comportement ramollissement/fusion
	2. Chute pression à 80 % réduit
	3. Retrait lit à 80 % réduit

La qualité des granulés est influencée par la nature du minerai ou concentré, la gangue associée, le type et la quantité de flux ajoutés. Ces facteurs résultent en la variation des propriétés physico-chimiques des phases coexistantes et leur distribution pendant l'induration. Donc les propriétés sont largement gouvernées par la forme et le degré de liaison entre particules de minerai et la stabilité de ces phases de liaison pendant la réduction des oxydes de fer dans le HF. Comme la formation des phases et microstructure pendant l'induration dépend du type et quantité de flux, il y a un effet des agents fluxants en termes de rapport CaO/SiO2 et teneur en MgO sur la qualité.

Histoire de l'utilisation des granulés dans le haut fourneau

L'histoire des granulés a commencé en 1912 quand A.G. Andersson, un Suédois, a inventé une méthode de granulation.

L'utilisation commerciale a cependant commencé aux USA après la Seconde Guerre mondiale. Diverses études visaient à développer les vastes réserves de taconite autour des Grands Lacs. En 1943, le Dr Davis, professeur à l'Université du Minnesota, Station d'expériences minières, a inventé une méthode pour traiter la taconite contenant du minerai de faible teneur. Son procédé impliquait le broyage pour éliminer les gangues et améliorer le minerai (bénéficiation). Le minerai haute teneur résultant est sous forme de particules fines, aussi petites que 0,1 mm ou moins, non adaptées au frittage. Cela a conduit au développement de la granulation de ces fines. Les usines de granulation jouent aujourd'hui un rôle important à une époque où la réserve mondiale de minerai de haute teneur en grumeaux diminue. Elles favorisent la concentration de minerai de faible teneur en granulés améliorés, de plus en plus utilisés par les hauts fourneaux et fours de réduction directe.

La réduction du fer aux USA a historiquement été basée largement sur les granulés principalement parce que tous les minerais locaux nécessitaient une bénéficiation (mise à niveau) par broyage en particules fines (< 0,1 mm) et agglomération en granulés, mais aussi parce que les usines de frittage ne sont pas utilisées pour des raisons environnementales.

Les granulés sont maintenant la plus grande source unique de fer pour les hauts fourneaux nord-américains. Ils constituent environ 70 % de la charge. Initialement, des granulés acides (grades FRD) étaient produits et utilisés.

Au milieu des années 1980, des essais de granulation et de HF ont été menés pour évaluer les avantages des granulés fluxés calcaire-dolomie. Vers la fin de la décennie, les granulés fluxés étaient fermement établis comme produit majeur, représentant environ 30 % de la production nord-américaine.

La transition vers les granulés fluxés a impliqué de nombreux changements d'équipements (moulins à flux, brûleurs de préchauffage) et pratiques. Chaque usine a personnalisé la chimie pour répondre aux opérations HF de ses clients. Résultat : des usines produisant jusqu'à quatre grades. En Amérique du Nord, les granulés sont passés de produit de base dans les années 1970 à produit sur mesure répondant aux spécifications les plus exigeantes dans les années 1990. Les granulés fluxés nord-américains sont maintenant équivalents au meilleur fritté en réductibilité et propriétés de ramollissement-fusion et supérieurs en résistance et dégradation basse température (LTD/RDI).

Avantages des granulés

Les granulés peuvent remplacer l'aggloméré et le minerai calibré dans la charge du HF grâce aux propriétés suivantes :

• Forme sphérique et pores ouverts donnant une meilleure perméabilité uniforme pour un fonctionnement plus fluide. Taille uniforme généralement 8-20 mm.
• Très haute résistance à l'écrasement à froid résultant en génération négligeable de fines au stockage.
• Porosité élevée (> 18 %) menant à une réduction plus rapide.
• Haute résistance (~250 daN/p) donnant bonne résistance à la désintégration pendant la descente. Meilleur indice de tumbling que le minerai calibré.
• Composition chimique uniforme comparée au minerai calibré. Absence de perte au feu (LOI) est un autre avantage.

L'indice de gonflement est une propriété métallurgique importante. Le gonflement indique le changement de volume pendant la réduction. L'expansion volumique résulte en une résistance à la compression plus faible. Un gonflement élevé dans le fourneau augmente le volume du granulé, diminue les vides dans la charge, impede l'écoulement du gaz et cause une chute de pression. Cela cause accrochage et glissement dans le HF. L'ajout de dolomie est favorable pour l'amélioration de la propriété de gonflement. Le gonflement maximal admissible pour le HF varie de 16 % à 18 %. Les granulés acides (FRD) et sans MgO présentent un gonflement plus élevé.

Les granulés fluxés peuvent être produits équivalents au meilleur fritté en réductibilité et ramollissement-fusion et supérieurs en résistance et LTD/RDI. Ils présentent bonne résistance, réductibilité améliorée, gonflement et caractéristiques de ramollissement-fusion. Grâce à ces propriétés, ils donnent de meilleures performances dans le HF.

Métalliques dans la charge du HF

L'aggloméré, les granulés et le minerai calibré sont les trois métalliques ferreux normalement utilisés. Leurs utilisations peuvent varier de 0 à 100 % avec ajustement des paramètres du fourneau. Ils peuvent être utilisés en toute combinaison de deux ou trois. Il n'y a pas de formule standard pour le choix. Ce choix dépend de plusieurs facteurs variant d'une usine à l'autre :

• Disponibilité du métallique de spécification correcte
• Propriétés métallurgiques : réductibilité, propriétés de décrépitation thermique, ramollissement
• Coût relatif du métallique
• Effet sur le coût global de production de la fonte
• Possibilité d'ajustement des paramètres du fourneau (répartition, taux combustible, etc.)
• Possibilité d'ajustement des paramètres de contrôle de processus
• Installations disponibles au stockage du HF
• Disponibilité d'usine de frittage captive
• Type de minerai disponible dans la mine captive ou zone proche
• Questions liées au fonctionnement fluide sans accrochage/glissement
• Questions environnementales

Les granulés peuvent être utilisés de 0 % à 100 %. Il n'y a pas de solution standard pour augmenter la teneur en granulés. Chaque site et chaque fourneau aura des problèmes différents à identifier, analyser et résoudre pour arriver au maximum de granulés utilisables. L'objectif doit toujours être un fonctionnement sans problème au coût de production le plus bas possible pour la fonte.