Optimisation des opérations de la gueulard de haut fourneau pour efficacité et fiabilité

Gueulard de haut fourneau et son exploitation

La gueulard de haut fourneau (HF) est la zone de travail où la fonte et le laitier liquide sont coulés du HF et soit versés dans des poches (torpille ou poche à ciel ouvert), soit dirigés pour solidification (coulée en lingots et granulation de laitier) ou traitement (désulfuration en gueulard).

Une bonne exploitation sans problème de la gueulard est une exigence importante dans un HF à haute productivité pour une exploitation à faible coût. La conception fonctionnelle, la pratique opérationnelle, la technologie réfractaire, l'automatisation et les exigences environnementales sont des questions importantes à examiner pour répondre aux demandes de fiabilité et de rendement accrus. Dans tout HF, la gueulard est la zone la plus intensive en main-d'œuvre. Sa conception doit être pleinement intégrée avec la production attendue de fonte, le volume du foyer et la pratique de coulée tout en minimisant l'utilisation de main-d'œuvre, maintenance, matériaux et en améliorant l'environnement de travail. L'objectif principal est d'extraire la fonte du HF à un taux de coulée et un nombre de coulées par jour déterminés par le taux de fusion, le volume effectif du foyer et le désir de maintenir le foyer « sec » plutôt que par la disponibilité des rigoles, canaux et équipements. Une implantation type de gueulard est montrée Fig. 1.

Fig 1 Implantation type d'une gueulard de HF

La conception et l'exploitation doivent améliorer l'efficacité du HF sur les paramètres suivants :

• Amélioration des conditions de travail pour les ouvriers engaged dans la coulée de fonte et laitier
• Réduction des pertes de chaleur de la fonte par maintien de sa température
• Réduction de la quantité de fonte perdue avec le laitier liquide
• Réduction significative du volume de polluants créés pendant la coulée

La gueulard doit avoir un certain nombre d'entrées, passages et sorties par lesquels les ouvriers peuvent évacuer en urgence. Elle doit être conçue et située pour qu'il soit toujours possible de s'échapper de n'importe quelle zone sans passer devant les tuyères ou enjambant les rigoles.

La taille dépend de la capacité de production, mais il doit y avoir assez d'espace pour les ouvriers et l'équipement. Particulièrement, il doit y avoir le plus d'espace libre possible à côté du fourneau et de chaque côté de la tuyère. Idéalement, l'implantation devrait minimiser la longueur des rigoles. Avec des rigoles basculantes ou pivotantes et des poches à haute capacité, les conditions de travail s'améliorent et la coulée est facilitée. Un ouverture et fermeture soignée de la tuyère est un facteur clé de succès.

Pour une extraction efficace des poussières et fumées, les rigoles de fonte doivent être couvertes. Cependant, le processus de coulée et la maintenance des tuyères nécessitent un accès dégagé à la zone avant de la rigole. Divers designs de manipulateurs de couvercles offrent des solutions flexibles.

Les sols côté fonte et laitier doivent avoir des surfaces lisses, légèrement en pente par endroits. L'angle ne doit pas être choisi seulement pour l'évacuation facile. Si trop pentu, le travail sera inutilement fatigant et le risque de chutes plus grand.

La profondeur des rigoles doit être suffisante pour accommoder le débit maximal de fonte après prise en compte du revêtement réfractaire.

Une attention particulière à la sélection du système reliant la tuyère à la rigole principale pour éviter toute rupture entre le HF et le sol de coulée.

Les ouvertures dans le sol pour l'évacuation du liquide et du laitier doivent être protégées pour éviter les chutes.

L'explosion d'une poche à laitier est rare mais possible ; des mesures adaptées doivent protéger les ouvriers des projections.

Un autre danger : déversement ou fuite de fonte des poches sur les rails et alentours. Si le sol est mouillé, une explosion peut survenir. Des mesures doivent empêcher l'eau (souterraine, pluie, du HF) de s'infiltrer. Il doit y avoir des installations de drainage pour l'eau entre les rails.

La gueulard doit être conçue et équipée pour permettre la supervision du remplissage des poches sans danger.

Il faut prendre soin dans la sélection et l'emplacement de l'usine de granulation de laitier pour éviter que la vapeur de l'eau de refroidissement ne soit soufflée dans la gueulard. Un système doit protéger les ouvriers et équipements des explosions lors de coulée accidentelle de fonte avec laitier.

Les machines de transport et manutention doivent être soigneusement choisies, la manutention manuelle devant être minimisée et chaque partie du sol accessible. Équipements : ponts roulants ou autres dispositifs de levage, chariots élévateurs, camions de manutention. Rampe d'accès et espace de manœuvre pour les camions.

Dangers pour les ouvriers pendant la coulée

• Haute température des matériaux et chaleur rayonnée par la fonte et le laitier fondu
• Explosions et projections de fonte et laitier
• Débordement et déversement
• Coulée du fourneau (breakout)
• Fumées, poussières, gaz et vapeur
• Utilisation d'oxygène pour le lancing des tuyères
• Utilisation de machines : canons et forets de tuyères, équipements pneumatiques, hydrauliques, électriques
• Utilisation d'outils manuels
• Manutention de matériaux et déchets
• Utilisation de gaz combustible pour séchage des rigoles
• Utilisation de balle de riz pour conservation chaleur et sable
• Bruit

Équipements, outils et consommables modernes

• Foret de tuyère
• Changeur de tige de forage
• Canon d'argile de tuyère
• Chargeur de canon d'argile
• Couvercle de rigole et manipulateur
• Système de mesure de niveau pour voitures torpille
• Rigole basculante
• Foret de barrage de poche
• Cabines de contrôle
• Mesure de température et prélèvement d'échantillons
• Consommables réfractaires
• Autres consommables : sable, balle de riz, tube de lancing, tige de perçage
• Oxygène pour lancing et gaz combustible pour séchage rigoles

Forets de tuyère

Une coulée économique nécessite un canal de tuyère haute performance. En plus du choix d'argile appropriée et de la stratégie d'ouverture optimale, les ajustements optimaux des paramètres de coulée et leur reproductibilité sont importants. Les forets doivent combiner flexibilité maximale et marteaux de forage à haute capacité éprouvés. Exigences de base :

• Suffisamment puissant et rigide pour forage précis
• Verrouillable en certaines positions
• Tous mouvements télécommandés, arrêtables à tout moment
• Sirène/buzzer automatique avant mise en mouvement
• Installation permettant circulation libre des ouvriers et réparations quand non utilisé. Espace pour une personne entre machine et obstacle
• Moyens de protection pour personnel et machine
• Lignes d'alimentation protégées contre chaleur et breakouts, bonne résistance mécanique
• Si électricité : au moins deux circuits indépendants, dont un de sécurité
• Si contrôle hydraulique/pneumatique : accumulateur dimensionné approprié

Canons d'argile de tuyère

Fermer un fourneau sous toute condition est une exigence de sécurité clé. Cela demande une fiabilité et robustesse extrêmes des canons. Exigences de base :

• Assez puissant pour extruder l'argile contre la pression interne complète, même au-dessus du normal
• Capable de placer correctement l'embout dans la tuyère malgré obstructions par laitier ou autre matériau
• Conçu pour extruder toute l'argile nécessaire pour le bouchon
• Verrouillable en diverses positions
• Mouvements télécommandés, arrêtables à tout moment
• Sirène/buzzer automatique avant mise en mouvement
• Installation permettant circulation libre et réparations. Espace pour une personne
• Moyens de protection pour personnel et machine
• Lignes d'alimentation protégées contre chaleur et breakouts, bonne résistance
• Si électricité : au moins deux circuits indépendants, dont un de sécurité
• Si contrôle hydraulique : accumulateur dimensionné

Cabines de contrôle

Les cabines pour canons et forets doivent être localisées, protégées et équipées pour permettre l'exploitation même en urgence. Caractéristiques de base :

• Localisation protégeant personnel des breakouts/explosions et permettant observation parfaite
• Aucun matériau combustible dans la construction
• Au moins deux entrées indépendantes, dont une vers plateforme d'évacuation extérieure, toujours dégagée
• Aucune porte vers les rigoles
• Fenêtre d'observation : (i) aussi petite que possible mais vue complète, (ii) verre « Triplex » sur cadre ouvrant vers l'extérieur, protégé par grille, (iii) commandes à côté pour suivre les opérations, précautions contre activation accidentelle, (iv) communication par au moins deux systèmes séparés (téléphone interne, intercom, radio)
• Système de ventilation aspirant air d'une zone non polluée
• Si non en zone protégée : mesures de sécurité intensifiées. Portes fermées par explosion, parois/portes/toit couverts matériaux ignifuges/thermorésistants

Perçage de tuyère à l'oxygène

L'équipement comprend tuyauterie flexible pour oxygène, porte-lance, et lances. Les lances consistent en un ou plusieurs tubes acier. Il faut assurer que l'opérateur est toujours assez loin pour éviter étincelles et projections. Il est conseillé de ne pas laisser les lances brûler trop loin, mais de récupérer les sections non brûlées pour reconstituer des tubes de longueur originale. Grande précaution dans l'assemblage pour éviter fuites d'oxygène par les soudures. Tubes en mauvais état rejetés. Tubes déjà dégraissés à la livraison. Tubes graisseux non utilisés. Stockage protégé huiles, graisses, poussières, intempéries. Seules sections conformes aux exigences de sécurité récupérées pour réutilisation.

Consommables réfractaires de gueulard

Pour les tuyères où fonte et laitier sont coulés périodiquement, des mélanges d'argile prêts à l'emploi (argile de tuyère) sont utilisés pour boucher le trou en fin de coulée. Ces matériaux à prise thermique sont ensuite forés pour la prochaine coulée. Pour les rigoles et canaux où fonte et laitier sont séparés et la fonte dirigée vers la poche, des bétonnés à liaison hydraulique sont utilisés comme revêtement de base et matériaux de gunning pour réparation.

Argile de tuyère

L'argile de tuyère sert à boucher après coulée pour éviter toute fuite et le maintenir bouché jusqu'à la prochaine ouverture. Le choix et l'utilisation sont corrélés à de nombreux facteurs :

• Conditions opératoires du HF, selon taille et exploitation – les argiles participent comme éléments clés pour fiabilité et sécurité sans perturber la productivité
• Arrangement particulier de la zone tuyère et sa gestion – les argiles doivent non seulement résister à l'attaque du métal fondu mais avoir influence positive sur le drainage du foyer et l'écoulement périphérique par la longueur du trou
• Aspects environnementaux : amélioration conditions de travail et protection générale
• Aspects économiques : coût optimal par tonne de fonte, l'argile restant un coût substantiel

L'argile doit avoir les propriétés pour effectuer de manière consistante et sûre :

• Couler quand poussée par le canon, pour boucher. Assez malléable pour injection correcte
• Prendre dans la tuyère pendant le temps bouchon-coulée mais sans retrait pour étanchéité
• Durcir assez vite pour résister à la pression interne
• Être forée en temps acceptable
• Permettre un flux de fusion stable et contrôlé sans projection
• Résister à l'érosion et l'attaque chimique par fonte et laitier
• Former un substrat stable pour le prochain bouchon
• Fournir une longueur de tuyère stable et contrôlable
• Assez poreuse pour laisser échapper les gaz de distillation
• Dans certains cas, convenir pour maintenir et restaurer la tuyère si détériorée

Exigences :

• Plasticité améliorée – meilleure ouvrabilité
• Haute résistance corrosion et abrasion – diamètre et longueur constants
• Bonne sinterabilité – bonne résistance
• Résistance adhésive – pour adhérence nouveau/vieux mélange
• Bonne capacité dégazage – réduire pression gaz interne
• Coulée/forage facile

Les argiles anhydres sont plus résistantes que celles contenant de l'eau. Ces dernières ne peuvent être utilisées pour les HF modernes et des précautions spéciales sont nécessaires. Matières premières : alumine fondue, bauxite calcinée, chamotte, argile de feu, minéraux d'argile, pyrofillite, silice, sable fin, kyanite, alumine calcinée fine, silice fumée, zirconium, chromites, carbure de silicium, carbone, nitrure de silicium, poudres métalliques, coke, carbone ultrafin, goudron, résine, huiles spéciales.