Réfractaires optimisés pour four à oxygène basique : durée de vie du revêtement et productivité

L'objectif principal dans le développement des réfractaires pour four à oxygène basique (FOB) est d'obtenir une durée de vie utile du revêtement d'usure afin d'obtenir une disponibilité maximale du FOB. Une durée de vie du revêtement plus longue non seulement entraîne des coûts de réfractaires plus bas, mais permet également une productivité plus élevée grâce à une disponibilité accrue du four.

Exigences de base des réfractaires pour FOB

• Résistance à l'écaillage thermique
• Résistance à la corrosion
• Résistance à l'abrasion
• Résistance à l'oxydation
• Module de rupture à chaud

Le FOB est normalement revêtu avec un revêtement permanent et au-dessus il y a un revêtement d'usure. L'épaisseur du revêtement permanent peut varier de 100 mm à 120 mm et est faite de revêtement permanent chrome-magnésite qui est donné sur la hauteur totale du FOB.

Les réfractaires disponibles pour l'utilisation dans les revêtements d'usure des FOB vont du dolomite ou magnésie (MgO) lié au goudron ou au brai, chrome magnésite, ou réfractaires magnésio-chrome aux réfractaires avancés qui sont faits avec des liants résine, des métalliques, des graphites, et de la magnésie frittée et/ou fondue qui peut être avec une pureté de 99 %. Les briques sont conçues avec une combinaison de propriétés physiques critiques pour résister aux hautes températures et aux conditions/environnement changeant rapidement tout au long du cycle de chauffe du FOB. Un équilibre de différentes propriétés telles que la résistance à chaud, la résistance à l'oxydation et la résistance à la scorie est nécessaire des réfractaires FOB pour une bonne performance.

Évolution historique des réfractaires FOB

Lorsque le processus de sidérurgie FOB a été introduit dans les années 1950, les convertisseurs étaient revêtus de briques de dolomite au goudron et de briques de dolomite brûlée stabilisée. Ces réfractaires ont ensuite été remplacés par des briques de dolomite brûlée semi-stabilisée et des briques liées au goudron et cuites faites de clinker de dolomite de magnésie synthétique. Les réfractaires chrome magnésite, ou magnésio-chrome ont été utilisés pour le revêtement de certains FOB. Des briques de magnésie brûlée de haute pureté ont également été utilisées dans certains revêtements de FOB. À la fin des années 1970, des briques magnésie-carbone avec résistance à la corrosion et à l'écaillage ont été développées et rapidement mises en usage pour le revêtement des FOB. Ces briques utilisent la résistance de la magnésie à la scorie corrosive de haute basicité et la haute conductivité thermique et la faible mouillabilité du graphite (carbone). Aujourd'hui, la pratique d'utilisation de réfractaires magnésie-carbone pour le revêtement des FOB est devenue très courante.

La stabilité des briques magnésie-carbone peut être augmentée en prévenant l'oxydation du graphite et en améliorant la résistance à la corrosion du clinker de magnésie. L'oxydation du graphite est prévenue en ajoutant des métaux faciles à oxyder tels que l'aluminium et le magnésium-aluminium, des carbures tels que le carbure de silicium (SiC) et le carbure de bore (B₄C), et des borures tels que le borure de calcium (CaB₆). L'utilisation de graphite de haute pureté prévient également l'oxydation. La résistance à la corrosion de la magnésie est améliorée en augmentant le niveau de pureté du clinker de magnésie soit en utilisant de la magnésie électro-fondue ou de la magnésie d'eau de mer. Elle est également améliorée en optimisant la distribution de la taille des particules du clinker de magnésie. Des briques magnésie-carbone auxquelles du zircon (ZrSiO₄) est ajouté pour l'allègement du stress thermique en service ont également été développées.

Production de magnésie de haute pureté moderne

La magnésie de haute pureté moderne est produite par des processus bien contrôlés. Les sources principales de magnésie sont les saumures souvent de puits profonds ou de l'eau de mer. L'hydroxyde de magnésium, Mg(OH)₂, est précipité de ces sources par réaction avec de la dolomie calcinée ou du calcaire. La boue d'hydroxyde de magnésium résultante est filtrée pour augmenter sa teneur en solides. Le gâteau de filtre est ensuite alimenté directement dans un four rotatif pour produire de la magnésie de qualité réfractaire. De nos jours, le gâteau de filtre est calciné à environ 900 °C à 1000 °C dans des fours à foyers multiples pour convertir l'hydroxyde de magnésium en magnésie active. Cette magnésie calcinée est ensuite briquettée ou pelletisée pour la cuisson en magnésie de qualité réfractaire dense, généralement dans des fours à puits à des températures d'environ 2000 °C. Le produit final est de la magnésie frittée. La magnésie fondue est produite en fondant de la magnésie de qualité réfractaire ou un autre précurseur de magnésie dans un four à arc électrique. La masse fondue est ensuite retirée du four, refroidie et brisée pour son utilisation dans la fabrication de réfractaires. Les impuretés dans la magnésie sont contrôlées par la composition de la source originale de la magnésie (saumure ou eau de mer), la composition de la dolomie calcinée ou du calcaire, et les techniques de traitement. En particulier, les pourcentages et le rapport de CaO et SiO₂ sont efficacement contrôlés, et le B₂O₃ est maintenu à des niveaux très bas. La magnésie réfractaire de haute qualité ainsi produite est utilisée pour la production de réfractaires de magnésie.

Revêtement zonal du FOB

Différents facteurs sont responsables de l'usure du revêtement du FOB dans différentes zones du FOB. Par conséquent, le revêtement zonal du FOB est pratiqué où différents types de briques magnésie-carbone ou autres briques sont installés dans différentes zones du FOB pour assurer l'équilibre d'usure et, par son biais, l'extension de la durée de vie du revêtement du FOB est atteinte. Un revêtement zonal typique du FOB est montré à la Fig 1.

Fig 1 Revêtement zonal typique d'un FOB

Pour optimiser la conception du revêtement d'usure, il est essentiel de développer un revêtement équilibré, c'est-à-dire un revêtement dans lequel différentes qualités et épaisseurs de réfractaires sont assignées aux diverses zones du revêtement du convertisseur sur la base d'une étude attentive des motifs d'usure. Dans un revêtement équilibré, les réfractaires sont zonés de telle sorte qu'un segment de revêtement connu pour recevoir moins d'usure se voit attribuer une qualité inférieure ou une épaisseur moindre de réfractaire, tandis que les réfractaires de plus grande résistance à l'usure et généralement de coûts plus élevés sont réservés pour ces segments du fourneau qui seront soumis à l'usure la plus sévère. Les conditions d'usure et les réfractaires proposés dans différentes zones du FOB pour le revêtement zonal sont donnés dans le Tableau 1 ci-dessous.

Tableau 1 Zones du convertisseur, conditions d'usure et réfractaires proposés
Zone du convertisseur	Conditions d'usure	Réfractaires proposés
Cône	1) Atmosphère oxydante	1) Briques magnésie-carbone qualité standard contenant des anti-oxydants
	2) Abus mécanique	2) Briques magnésie liées au brai
	3) Contrainte thermo-mécanique	3) Briques faible carbone liées résine avec anti-oxydants
	4) Haute température
Tourillons	1) Atmosphère oxydante	1) Briques magnésie-carbone qualité premium contenant des anti-oxydants
	2) Corrosion par la scorie	2) Briques magnésie-carbone qualité premium contenant MgO fondu et anti-oxydants
	3) Érosion scorie et métal	3) Briques magnésie-carbone qualité premium haute résistance
Zone de charge	1) Impact mécanique	1) Briques magnésie brûlée imprégnée de brai
	2) Abrasion par la ferraille et le métal chaud	2) Briques magnésie-carbone qualité standard haute résistance contenant anti-oxydants
		3) Briques magnésie faible carbone haute résistance contenant anti-oxydants
Zone de coulée	1) Érosion par la scorie	1) Briques magnésie-carbone qualité premium contenant anti-oxydants
	2) Haute température	2) Briques magnésie faible carbone haute résistance avec additifs métalliques
	3) Érosion mécanique	3) Briques magnésie-carbone qualité standard contenant anti-oxydants
Lignes de scorie de retour	1) Corrosion sévère par la scorie	1) Briques magnésie-carbone qualité premium contenant anti-oxydants
	2) Haute température	2) Briques magnésie-carbone qualité premium contenant magnésie fondue et anti-oxydants
Fond et Stade (vaisseaux à agitation par le fond)	1) Érosion par métal, scorie et gaz en mouvement	1) Briques magnésie-carbone qualité standard haute résistance contenant anti-oxydants
	2) Contraintes thermo-mécaniques résultant de l'expansion	2) Briques magnésie-carbone sans additifs métalliques caractérisées par faible expansion thermique et bonne conductivité thermique
	3) Contraintes internes résultant des gradients thermiques entre tuyères refroidies par gaz et revêtement environnant	3) Briques magnésie brûlée imprégnée de brai

Avec la grande variété de qualités de briques disponibles, il y a une large gamme de coûts des réfractaires. La brique la plus chère peut coûter jusqu'à six fois celle d'une brique conventionnelle de dolomite liée au goudron/brai. Avec la mise à niveau des conceptions de revêtement, plus de réfractaires à coûts plus élevés sont utilisés dans un revêtement de FOB de nos jours. Cependant, l'utilisation des réfractaires à coûts élevés doit justifier l'économie technico-économique globale de l'atelier FOB.

Par exemple, lorsque le coût d'un revêtement est augmenté de 25 % dans un atelier FOB qui fait en moyenne 4000 chauffes, la durée de vie du revêtement devra augmenter à 5000 chauffes pour que les coûts des réfractaires soient maintenus. Cependant, dans les ateliers où la disponibilité du fourneau est nécessaire pour la productivité, une augmentation moindre de la durée de vie du revêtement et un coût de réfractaires plus élevé peuvent être justifiés si la disponibilité du fourneau est plus grande pendant les périodes de besoins de production élevés.

Alors que les conceptions de revêtement sont mises à niveau pour optimiser la performance et les coûts, les effets des variables d'exploitation sur l'usure du revêtement sont importants à connaître. Avec cette information, la possibilité de contrôler ces paramètres qui affectent l'usure du revêtement de manière adverse et les compromis économiques d'augmenter les coûts d'exploitation pour prolonger la durée de vie du revêtement peuvent être mieux évalués. En général, les pratiques qui améliorent le contrôle du processus, telles que les sous-lances, bénéficient à la durée de vie du revêtement. De plus, la durée de vie du revêtement est aidée par le chargement de chaux dolomitique pour fournir du MgO dans la scorie, la minimisation des niveaux de charge de fluorite, le contrôle des ajouts de fondants et des pratiques de soufflage pour obtenir de faibles niveaux de FeO dans les scories. Ces pratiques doivent être optimisées pour produire la performance de revêtement la plus rentable.

Même lorsque de nombreuses conditions d'exploitation sont améliorées, les conceptions de revêtement sont optimisées pour l'usure équilibrée, et la meilleure technologie de brique est utilisée, l'usure ne se produit pas uniformément, et, généralement, les pratiques de maintenance qui impliquent le gunning de réfractaires et le revêtement avec de la scorie sont utilisées pour prolonger la durée de vie d'un revêtement.