Optimisation de la qualité du fritté : processus clés pour le frittage du minerai de fer

Qualité du fritté et processus de frittage des minerais de fer

Le fritté est normalement le composant principal de la charge de haut fourneau (HF). Le fritté se compose de nombreuses phases minérales produites pendant le processus de frittage des minerais de fer. La qualité et les propriétés du fritté dépendent de la structure minérale du fritté. Cependant, comme les conditions de frittage ne sont généralement pas uniformes dans tout le lit de fritté, la composition de phase, et donc la qualité du fritté, varie dans le lit de fritté.

La structure du fritté n'est pas uniforme. Elle se compose de pores (de tailles variables) et d'un agrégat complexe de phases minérales, chacune avec des propriétés différentes. C'est la combinaison de ces pores et phases minérales, et l'interaction entre eux qui détermine la qualité du fritté, mais rend aussi la prédiction des propriétés du fritté très difficile. Bien qu'un grand nombre d'investigations aient été menées sur le fritté, la corrélation entre la composition chimique et la minéralogie du fritté avec ses propriétés et son comportement n'est toujours pas clairement comprise.

Les schémas du mélange de frittage et du fritté produit sont à la Fig. 1.

Fig. 1 Schémas du mélange de frittage et du fritté produit

Le processus de frittage est un terme générique utilisé pour décrire le processus d'agglomération d'un mélange vert de minerais de fer, fondants et coke et déchets solides d'usine ayant une taille de particule de -10 mm afin de produire du fritté qui peut résister aux conditions de pression et de température existant dans un HF. Les déchets solides tels que les poussières, boues, scories et calamines, etc. sont utilisés pour leur utilisation dans le mélange de frittage en raison de la structure chimique complexe et des composants minéraux de ces matériaux. Le processus de frittage est décrit en détail dans un article séparé disponible sous le lien https://www.ispatguru.com/the-sintering-process-of-iron-ore-fines-2/.

Pendant le processus de frittage, comme la combustion des fines particules de coke commence à des températures entre 700 °C et 800 °C, il en résulte la formation de gaz CO (monoxyde de carbone). La surface du noyau de minerai de fer et ses fines adhérentes sont réduites en magnétite. À mesure que la température monte à 1100 °C, des phases à bas point de fusion telles que Fe₂O₃·CaO, FeO·CaO et FeO·SiO₂ sont formées par des réactions solide-solide. La phase appelée SFCA (silico-férrite de calcium et d'aluminium) se forme à ce stade. Le SFCA est identifié comme une solution solide de CaO·2Fe₂O₃ avec de petites quantités d'Al₂O₃ et de SiO₂ dissous. Cette phase est considérée comme une phase quaternaire complexe.

Pendant le processus de frittage, les relations de phase d'équilibre ne sont normalement pas atteintes en raison du front de flamme qui passe rapidement à travers le lit de frittage. Cela entraîne un haut degré d'hétérogénéité du fritté et la formation de phases de non-équilibre qui ne sont pas attendues des considérations thermodynamiques. La composition du fritté varie donc d'un endroit à l'autre dans le matériau en vrac, en fonction de la nature des particules individuelles de minerai et de fondant et de l'étendue des réactions entre elles.

Macroscopiquement, le fritté a une structure non uniforme avec de grands pores irréguliers. Microscopiquement, il se compose de phases de liaison, de particules de minerai reliques, de phases vitreuses résiduelles et de pores et fissures très petits et non uniformes. Selon différents paramètres tels que la température, la composition, la pression partielle d'oxygène, le temps et l'atmosphère, différentes phases se forment en proportions différentes, tandis que différentes morphologies se développent. La morphologie reflète essentiellement le mode de formation et est liée à une composition chimique particulière, au taux de chauffage et de refroidissement du fritté.

Le SFCA aciculaire commence à se former en dessous de 1185 °C ; lorsque la température est montée à 1245 °C, l'hématite non réagie disparaît et la taille des cristaux de SFCA augmente. Le SFCA commence à se décomposer lorsque la température dépasse 1300 °C formant de l'hématite si la pression partielle d'oxygène est élevée et la température est inférieure à 1350 °C, et de la magnétite lorsque la pression partielle d'oxygène est faible et la température est supérieure à 1350 °C avec les composants de scorie redistribués dans la fonte. La décomposition du SFCA est améliorée par un temps prolongé au-dessus de la température de décomposition, et une température maximale accrue.

Dans le processus de frittage, les réactions chimiques ci-dessus ont lieu à haute température ce qui entraîne la formation d'une phase de fusion qui est utilisée pendant les réactions solide-liquide pour l'assimilation et la combinaison des fines de minerai de fer et des fondants. Pendant le processus, la formation de fonte se produit dans le front de flamme où la température est supérieure à 1100 °C. Cette fonte se solidifie pour devenir les phases de liaison qui constituent la majorité des autres phases dans un fritté. La phase de liaison principale est normalement composée de SFCA.

Le volume de la phase de fusion joue un rôle significatif dans le processus de frittage. Une fusion excessive entraîne une structure vitreuse homogène, qui a une faible réductibilité, alors qu'une concentration très faible de fusion cause une résistance insuffisante, résultant en une grande quantité de fines de retour.

Les réactions chimiques pendant le frittage entraînent la formation de gâteau de fritté qui est un matériau multiphasé avec une microstructure hétérogène. Il est composé de plusieurs phases minérales dont les principales sont l'hématite, la magnétite, le minerai de fer, le SFCA, le silicate de dicalcium et une phase vitreuse. La distribution minéralogique des différentes phases détermine la microstructure du fritté qui confère la qualité du fritté telle que la résistance mécanique et son comportement pendant la réduction dans le HF. Le SFCA est considéré comme le composant le plus important de la phase de liaison en raison de son abondance dans le fritté et de son influence significative sur la qualité du fritté.

Du mécanisme de frittage, il est clair que les phases de fritté sont principalement formées pendant le processus de frittage à des températures supérieures à 1100 °C. Par conséquent, les caractéristiques température-temps du processus de frittage contribuent fortement à la microstructure et à la composition de phase du fritté.

Le profil de température dans le lit de frittage est caractérisé par une montée abrupte jusqu'à une température maximale pendant le cycle de chauffage. La température maximale atteinte est généralement supérieure à 1300 °C et peut être aussi haute que 1350 °C. Une pente douce après avoir atteint la température maximale indique le refroidissement relativement lent du fritté fini pendant le cycle de refroidissement.

En raison des changements de perméabilité du lit pendant le processus de frittage, différents profils de température sont obtenus de haut en bas dans le lit de frittage. Donc, le taux de chauffage, la température maximale atteinte, le temps à des températures supérieures à 1100 °C et le taux de refroidissement diffèrent normalement dans la couche supérieure, moyenne et inférieure du lit de frittage. En raison de ces caractéristiques température-temps différentes, il y a une variation dans la composition de phase à travers le lit de frittage. À cause de ces différences, le fritté peut être classé comme suit :

• Fritté supérieur – Il est généralement faible et friable donnant un faible rendement de fritté avec un classement de taille acceptable. Ce fritté est fondu à haute température et refroidi immédiatement après. Le fritté est déchargé froid du strand de frittage.
• Fritté moyen – Ce fritté est formé sous des conditions optimales pour la fusion et le recuit et donne le rendement maximum de fritté avec un classement de taille acceptable. Le fritté est déchargé froid du strand de frittage.
• Fritté inférieur – Ce fritté est déchargé chaud et est refroidi sévèrement lorsqu'il passe à travers le briseur de fritté chaud et sur l'écran de décharge sur le refroidisseur de fritté. Cela résulte en de mauvaises propriétés physiques donnant un rendement inférieur de fritté avec un classement de taille acceptable. Si le refroidissement sur strand est appliqué, alors le fritté a presque les mêmes propriétés que le fritté de la couche moyenne.

Normalement, le fritté est composé en volume de 40 % à 70 % d'oxydes de fer, 20 % à 50 % de férrites majoritairement SFCA, environ 10 % de silicates de dicalcium, et environ 10 % de phase vitreuse. Il peut aussi contenir des sulfures (FeS), des pyroxènes [(Mg,Fe)SiO₃], du quartz et de la chaux en petite proportion. Les réactions de frittage régulent la fraction de volume de chaque phase minérale et contrôlent spécialement la concentration et la microstructure de la phase SFCA. Ce qui à son tour contrôle et améliore les caractéristiques du fritté.

La qualité du fritté fait référence aux propriétés physiques et métallurgiques du fritté. La qualité du fritté est généralement définie en termes des éléments suivants :

• La résistance physique ou résistance à froid du fritté à température ambiante mesurée par le test de fragmentation ou de tumbler.
• La valeur de l'indice de dégradation à la réduction (RDI) qui est la dégradation du fritté suite à la réduction à basse température (550 °C) déterminée par le test de dégradation à la réduction.
• L'indice de réductibilité (RI) qui détermine la réductibilité du fritté déterminée par le test de réductibilité à 900 °C.
• Les propriétés de ramollissement et de fusion à haute température du fritté qui sont liées aux températures auxquelles le fritté commence à se ramollir, fondre et goutter pendant la réduction à des températures supérieures à 1150 °C.
• Toutes ces propriétés sont régies par la microstructure du fritté, en particulier les phases de liaison, notamment le SFCA, qui constituent la majorité des phases dans le fritté (jusqu'à 80 %).

Toutes les propriétés ci-dessus, qui sont normalement évaluées selon des tests standardisés, sont fortement liées à la minéralogie, la structure microscopique et macroscopique du fritté. La reproductibilité de ces tests effectués sur les particules de fritté pour évaluer leur qualité est donc faible en raison du haut degré de variabilité dans la composition de phase entre les particules de fritté, même lorsque ces particules de fritté sont obtenues à partir du même matériau en vrac.

La taille des particules de minerai joue un rôle important. La capacité d'assimilation des minerais fins est plus grande que celle des particules grossières. La surface de réaction des fines de minerai de fer est élevée ce qui entraîne des taux de réaction plus élevés. Mais, la formation de concentrations plus élevées de fonte entraîne une diminution de la fluidité de la fonte. Donc, il y a nécessité d'inclusion de particules grossières dans le mélange de frittage pour améliorer la perméabilité du lit de frittage, car elle est associée à une augmentation des mouvements à grande échelle entre la fonte et les particules solides.

La frittabilité du lit de frittage dans lequel des particules plus grosses ont été incorporées s'améliore en raison de la perméabilité améliorée du lit de frittage ainsi que des réactions de frittage améliorées pendant le processus. Lorsque des particules plus grosses sont disponibles dans le lit de frittage, des zones de faible densité sont formées autour des particules ce qui améliore la perméabilité du lit de frittage. En raison de l'augmentation de la perméabilité du lit de frittage, le débit de gaz ainsi que la vitesse du front de flamme sont plus élevés autour des particules plus grosses que les particules plus fines. La réaction de fonte et l'assimilation se produisent donc rapidement autour des grosses particules en raison de la fluidité élevée de la fonte.

Caractéristiques importantes liées à la qualité du fritté

Les caractéristiques importantes liées à la qualité du fritté sont les suivantes :

• La structure du fritté inclut la présence de férrites avec des propriétés bénéfiques pour la résistance et la réductibilité du fritté. La structure optimale est normalement formée par un noyau d'hématite entouré d'un réseau de férrite aciculaire. Cette structure est favorisée lorsqu'on travaille avec une basicité de fritté plus élevée.
• La taille du minerai de fer affecte les propriétés de frittage. Une augmentation de la taille du minerai de fer favorise la productivité du fritté, mais peut réduire légèrement la résistance au tumbler et économiser un peu de coke.
• La minéralogie du fritté peut être plus facilement prédite à partir de sa composition chimique que ses propriétés physiques et chimiques.
• L'augmentation des concentrations de MgO dans le fritté augmente les quantités de spinel (oxydes de magnésium et d'aluminium) et de phases vitreuses. La présence de MgO dans le fritté améliore le RDI, car le MgO stabilise la magnétite et diminue ainsi la teneur en hématite, causant une contrainte plus faible dans le fritté pendant la réduction hématite-magnétite dans le HF.
• L'augmentation des concentrations de SiO₂ dans le fritté augmente la quantité de SFCA total, diminue le rapport SFCA aciculaire/colonnaire et la teneur en phase vitreuse.
• L'augmentation des teneurs en Al₂O₃ dans le fritté entraîne une détérioration drastique de ses propriétés chimiques et physiques, bien que la concentration de la phase SFCA augmente. Avec une teneur en alumine accrue, la quantité de SFCA aciculaire, colonnaire et bloc augmente significativement avec une réduction substantielle de la quantité de SFCA dendritique et eutectique.
• Les teneurs en MgO et SiO₂ du fritté de fer semblent avoir un effet interrelié sur ses propriétés physiques et chimiques. Prédire l'effet que des quantités variables de MgO et SiO₂ auraient sur les propriétés du fritté est donc complexe. Les seules tendances claires sont l'IA (indice d'abrasion) qui augmente avec l'augmentation de la teneur en MgO, et le RI et l'IA du fritté qui diminuent avec l'augmentation de la teneur en SiO₂ du fritté.
• Le fritté avec une faible teneur en FeO (< 8 %) favorise une meilleure réductibilité. Lorsque la composition chimique d'un mélange de minerai est fixée, le FeO peut fournir une indication des conditions de frittage, en particulier le taux de coke. L'augmentation de la teneur en FeO dans le fritté abaisse (améliore) l'indice RDI. Cependant, lorsque la teneur en FeO augmente, la réductibilité diminue. Il est important de trouver une teneur optimale en FeO afin d'améliorer le RDI sans altérer les autres propriétés du fritté.
• La forme minérale dans laquelle les fondants sont ajoutés au mélange brut de frittage (ex. oxyde vs carbonate) a un effet prononcé sur la minéralogie et les propriétés du fritté produit.
• En raison des diverses compositions chimiques et distributions hétérogènes de taille de particules dans les matières premières, les réactions pendant le processus de frittage sont hétérogènes et produisent un fritté avec une structure hétérogène.