Granulation de la fonte liquide : solution économique pour l'excédent de métal chaud

La granulation de la fonte liquide est une méthode de gestion de l'excédent de production de métal chaud dans un haut fourneau (HF) qui ne peut être consommé par la sidérurgie dans l'atelier de fusion d'une sidérurgie intégrée. C'est une méthode rentable de production d'un produit solide connu sous le nom de fer granulé (FG). Le FG a de bonnes propriétés chimiques et physiques comme la fonte et peut être utilisé comme matière première de premier choix pour la sidérurgie.

Caractéristiques du fer granulé

Le FG a une composition chimique identique à la fonte qui est granulée. Il n'y a pas d'oxydation ni de piégeage de laitier dans le FG et la teneur métallique est élevée. La Fig 1 montre quelques morceaux de FG.

Fig 1 Fer granulé

Une usine de FG prend en charge tout déséquilibre entre la production aux installations de fabrication du fer et le besoin de fonte aux installations de sidérurgie. Elle est logistiquement positionnée entre les deux installations. L'excédent de fonte du HF est détourné vers l'usine de FG pour la production de FG. Cela élimine la réduction du volume d'air chaud au HF tout en produisant du FG qui peut être utilisé comme matière première interne comme réfrigérant dans le convertisseur à oxygène (BOF), ou pour la vente externe à utiliser par les coupoles, fours à induction (FI) et fours à arc électrique (FAE).

Les usines de FG peuvent être construites et exploitées avec des capacités correspondant aux débits du HF. Elles sont une alternative aux machines de coulée en lingots (MCL) mais avec des capacités considérablement plus élevées. Les capacités des MCL même à double brin sont limitées en raison du temps de solidification de la fonte dans les moules à lingots. Les MCL nécessitent également une maintenance mécanique fréquente en raison de leur conception complexe. Le FG a des propriétés identiques à celles de la fonte mais avec l'avantage supplémentaire qu'il peut être manipulé dans des systèmes de bennes.

Étapes du processus de granulation

Les quatre étapes de base du processus de granulation pour la fonte liquide sont les suivantes :

• Contrôle du débit de fonte liquide vers le granulateur
• Granulation par formation de gouttelettes de fonte liquide et leur trempe rapide dans l'eau
• Évacuation du FG solidifié et refroidi généralement par éjecteur air-eau
• Déshydratation du FG et transport vers le lieu de stockage

Équipement et processus de granulation

L'équipement peut être conçu pour la granulation de grands lots de fonte liquide et au taux de production d'un HF. Le principe repose sur le transfert de chaleur entre la fonte liquide et l'eau de refroidissement. La chaleur libérée pendant le refroidissement et la solidification de la fonte liquide est transférée à l'eau de refroidissement, qui évacue la chaleur hors du processus.

Les équipements utilisés pour la granulation du fer sont des équipements standards.

Pour la manipulation des poches de fonte à l'usine de granulation, un carrousel à double poche, similaire à celui utilisé dans une machine de coulée continue, est utilisé. Le carrousel en combinaison avec une lingotière peut assurer une opération en séquence fluide à l'usine de granulation sans aucune discontinuité entre les poches de fonte.

Les lingotières utilisées pour la granulation du fer sont des lingotières standard de coulée continue avec des modifications mineures. Elles sont équipées soit d'un système à tige d'obturation, soit d'un système à volet coulissant. Cela permet d'arrêter la granulation rapidement en cas de problème. Un système standard peut être utilisé pour contrôler le taux de granulation. La lingotière et la buse sont normalement préchauffées pendant environ 20 à 30 minutes avant le début de la granulation.

Le granulateur de fonte liquide est le cœur du processus. Il consiste en un réservoir contenant de l'eau et un distributeur de fonte liquide. La fonction principale du distributeur de fonte liquide est de diviser le flux de fonte en particules plus petites et de le répartir uniformément sur la surface de l'eau. La division du flux de fonte liquide non seulement fournit une plus grande surface pour un refroidissement plus rapide de la fonte, mais répartit également la fonte sur une plus grande surface dans le granulateur. Cela aide également à éviter la concentration de chaleur dans un volume d'eau plus petit et permet ainsi un débit élevé de fonte liquide. Le distributeur de fonte liquide est un équipement critique car il doit résister aux chocs thermiques et à l'impact à long terme du flux de fonte liquide.

La surface externe des gouttelettes de fonte liquide se solidifie pendant son trajet du distributeur à la surface de l'eau et avant de pénétrer la surface de l'eau. La partie interne restante de la gouttelette semi-liquide, maintenant un granulé, est trempée lorsqu'elle frappe la surface de l'eau et commence son mouvement dans le volume d'eau. Au moment de l'impact des granulés dans l'eau, ils se déforment légèrement mais sont empêchés de se diviser, évitant ainsi la génération de fines.

Pendant le mouvement des granulés de fer à travers l'eau dans le réservoir de granulation, la chaleur du fer est transférée à l'eau de refroidissement. L'eau de refroidissement permet aux granulés d'atteindre une température inférieure à 100 °C.

Pour un taux de granulation de 100 tonnes/heure, la charge thermique générée qui est transférée de la fonte liquide à l'eau de refroidissement se situe dans la plage d'environ 8 M cal/seconde. Le système d'eau est conçu pour prendre en charge cette magnitude de charge thermique. Dans le système d'eau, la chaleur est distribuée à l'eau de manière à garantir que la concentration de chaleur (chaleur/volume unitaire) est inférieure à la concentration critique pour les explosions de vapeur.

Le réservoir de granulation contient un volume d'eau suffisant pour accommoder les gouttelettes de fonte liquide formées par la division du flux de fonte et par l'impulsion de l'impact du flux de fonte sur la surface de l'eau.

La conception et la construction du réservoir d'eau facilitent la concentration et l'évacuation des morceaux de FG refroidis du réservoir. Des systèmes d'éjecteur air-eau sont normalement employés pour l'évacuation du fer granulé refroidi.

Le FG solidifié évacué est déshydraté et convoyé par bande transporteuse vers la zone de stockage où il est stocké en tas pour l'expédition.

Le système de refroidissement et de traitement de l'eau est soigneusement équilibré afin de garantir que la grande quantité de chaleur ajoutée par la fonte liquide est éliminée par l'eau de refroidissement. Le système d'eau est normalement un système d'eau de processus en circuit fermé. Le flux d'eau de refroidissement dans le réservoir de granulation est en contre-courant par rapport au mouvement de la fonte liquide. Pendant son flux dans le réservoir granulé, l'eau prend la chaleur de la fonte liquide et se réchauffe. L'eau chaude de retour du réservoir granulé est retirée et renvoyée au système de traitement de l'eau. L'eau de processus chaude de retour est refroidie soit dans une tour de refroidissement, soit par des échangeurs de chaleur.

Les usines de granulation de fonte liquide sont généralement entièrement automatisées, ce qui ne nécessite qu'une petite main-d'œuvre pour faire fonctionner l'ensemble de l'opération. Le temps de passage pour la granulation du fer est généralement d'environ 30 à 40 secondes et a un rendement de processus supérieur à 99 %. C'est une bonne amélioration par rapport aux rendements plus faibles obtenus dans les MCL.

Caractéristiques importantes du processus

• Temps de démarrage court pour répondre aux décisions de dernière minute de déviation de la fonte des installations de sidérurgie
• Temps de traitement rapide de la fonte liquide à un FG refroidi
• Aucun changement dans l'analyse chimique du fer en raison de la trempe rapide
• Plus de 99 % de rendement du processus
• Processus robuste avec haute disponibilité et maintenance limitée grâce à l'utilisation d'équipements standards
• Facile à exploiter
• Haute capacité de production correspondant au débit du HF
• Production de produit de fer premier choix qui ne nécessite aucun traitement supplémentaire
• Faible impact environnemental
• Disposition flexible et peut être accommodée dans l'espace existant disponible
• Faible coût d'exploitation
• Coût d'investissement raisonnable

Produit fer granulé

Le FG a des propriétés physiques et chimiques constantes. Il combine la haute teneur en métal de la ferraille de premier choix avec les faibles teneurs en éléments résiduels des sources de fer vierge. D'un point de vue pratique, la densité apparente élevée et la forme physique sont adaptées à une manutention efficace des matériaux.

La composition chimique du FG est la même que celle de la fonte liquide. Analyse typique : 4 % à 4,5 % de carbone, 0,5 % à 0,6 % de silicium, et environ 95 % à 95,5 % de fer. Les éléments tramp (cuivre, nickel, molybdène et étain) sont jusqu'à un maximum de 0,05 %.

Le FG a une forme compacte et petite de sphère aplatie qui résulte en une densité apparente élevée d'environ 4 tonnes/m³. La taille du FG est dans la plage de 8 mm à 25 mm. Le FG a un angle de repos élevé, ce qui permet un transport et un stockage efficaces.

Certaines caractéristiques du FG sont données ci-dessous :

• Composition homogène
• Pratiquement aucune teneur en oxyde
• Rendement métallique élevé pendant la sidérurgie
• Très bonnes propriétés de préchauffage et fusion/dissolution rapide lorsqu'ajouté au processus métallurgique
• Présence de carbure de fer dans la matrice, bénéfique pour le remplacement de la ferraille dans les opérations FAE
• Haute densité apparente
• Inerte pendant l'expédition et le stockage
• Taille et forme facilitant la manipulation avec bande transporteuse, aimant, chargeur frontal, systèmes de bennes et benne à ferraille
• Haute résistance physique et forme éliminant les cassures pendant la manipulation et réduisant la poussière
• Aucun comportement pyrophorique, peut donc être transporté et manipulé sans risque de combustion. Inerte pendant l'expédition et le stockage

La simplicité du processus de solidification et de refroidissement de la fonte liquide, en combinaison avec une haute capacité qui répond à un débit standard de HF, rend le processus de granulation du fer adapté à l'installation dans les sidérurgies intégrées.