Optimisation des opérations du haut fourneau pour prolonger la durée de campagne

Pratiques opérationnelles et durée de campagne d'un haut fourneau

Le coût de reconstruction ou de rechargement d'un haut fourneau (HF) est très élevé. Par conséquent, les techniques visant à prolonger la durée de campagne du HF sont cruciales et doivent être activement poursuivies.

Les grands HF ont généralement une production de campagne légèrement supérieure par unité de volume. Cette différence s'explique par le fait que les grands HF sont généralement de conception plus moderne et mieux automatisés. Puisque la viabilité d'une aciérie intégrée dépend d'un approvisionnement continu en fonte liquide (FL), ce qui, dans une usine avec un petit nombre de grands fours, accorde une grande importance à une longue durée de campagne.

Techniques de prolongation de la durée de campagne

Les techniques de prolongation de la durée de campagne du HF (Fig. 1) se divisent en trois catégories principales :

• Pratiques opérationnelles – Le contrôle du processus du HF a un effet majeur sur la durée de campagne. Le HF doit être exploité non seulement pour répondre aux besoins de production, mais aussi pour maximiser sa durée de vie. Il est donc nécessaire d'adapter les pratiques opérationnelles au fur et à mesure que la campagne progresse et en réponse aux zones problématiques pour maximiser la durée de campagne.
• Actions correctives – Une fois qu'une usure ou un dommage affectant la durée de vie du HF devient évident, des techniques de réparation d'ingénierie doivent être utilisées ou développées pour maximiser la durée de campagne.
• Conceptions améliorées – À mesure que des matériaux et équipements améliorés sont développés, ils doivent être intégrés dans les futures reconstructions pour prolonger la durée de vie des zones critiques du HF, là où cela est rentable.

Fig. 1 : Techniques de prolongation de la durée de campagne du haut fourneau

Pratiques opérationnelles pour une durée de campagne améliorée

Les pratiques opérationnelles affectant la durée de campagne du HF sont décrites ci-dessous.

Productivité

La productivité d'un HF s'exprime normalement en tonnes (t) de FL par unité de volume du HF (m³) par jour. Une productivité élevée implique un débit accru de matériaux à des vitesses de descente de la charge plus élevées, avec une activité de la gueularde accrue pour évacuer la plus grande quantité de produits liquides. La stabilité de l'exploitation est affectée lorsque le HF est poussé à fond : la descente de la charge est moins régulière et la zone de fusion est plus haute. Ces facteurs influencent l'usure des parois du HF. Le débit accru de produits liquides accélère l'usure de la gueularde et entraîne des conditions de pioche plus difficiles.

Une faible productivité implique de longues périodes de volume d'air chaud réduit, ce qui se traduit par une pénétration du vent réduite et un flux gazeux accru le long de la paroi du HF, à moins que des modifications appropriées de la distribution de la charge ne soient apportées. Les longues pauses de production ont généralement un effet néfaste sur l'état de la gueularde.

En examinant le niveau de productivité des HF ayant atteint une longue durée de campagne, il est clair que ces HF n'ont pas été exploités à leur potentiel maximal pendant la majeure partie de la campagne. Le facteur commun est une exploitation stable et cohérente, avec des pratiques visant à surveiller et protéger les parois et la gueularde. Une telle exploitation est plus facilement réalisable à des niveaux de production inférieurs au maximum. Cependant, il est difficile de définir une valeur universelle de l'indice de productivité (t/m³/jour) pour y parvenir, cet indice étant également affecté par plusieurs facteurs autres que le taux de poussée du HF : forme interne du HF, état d'usure des réfractaires, conditions d'exploitation locales, périodes de maintenance, etc.

Pour maximiser la durée de campagne, une stratégie est nécessaire pour permettre au HF de fonctionner de manière stable et contrôlée. De nombreuses reconstructions de HF ont impliqué l'augmentation du volume interne, non pas pour augmenter la production, mais pour permettre d'atteindre les objectifs de production à des niveaux de productivité plus faibles, offrant ainsi le potentiel d'une exploitation plus stable et d'une durée de campagne plus longue.

Il est vrai que les arrêts fréquents d'un HF réduisent sa productivité, mais la durée de campagne est également réduite en raison du nombre excessif d'opérations d'arrêt/redémarrage. La production de campagne par unité de volume est réduite de manière disproportionnée par rapport au pourcentage de temps d'arrêt. Les longues campagnes, mesurées selon ce critère, sont mieux atteintes avec une exploitation continue du HF sans arrêts prolongés.

Des réductions à court terme de la productivité sont également nécessaires pour traiter les zones problématiques identifiées sur le HF, afin de protéger l'intégrité du fourneau et d'éviter une fin prématurée de la campagne.

Charge (Burden)

Pour une exploitation stable du HF à des niveaux de productivité raisonnables, un coke de bonne qualité est nécessaire. En fait, le coke est l'une des principales raisons des périodes d'exploitation médiocres. De mauvaises périodes d'exploitation entraînent souvent des opérations erratiques, voire des opérations « froides » (chilled), potentiellement destructrices pour le revêtement du HF et donc pour la durée de campagne.

Le coke doit être résistant et stabilisé pour supporter le poids de la charge avec une dégradation mécanique minimale. Il doit être suffisamment gros et calibré, avec un minimum de fines, pour créer un lit perméable à travers lequel les liquides peuvent s'écouler vers la gueularde sans restreindre les gaz ascendants. Une granulométrie constante est nécessaire pour éviter des variations indésirables de perméabilité et soutenir le concept de variation de l'épaisseur de la couche de coke selon le rayon du HF pour contrôler le flux gazeux radial. Le coke doit être suffisamment inerte à la perte en solution, conserver sa résistance dans ces conditions, et être pauvre en alcalins pour minimiser la gazéification des alcalins dans la tuyère, qui a un effet délétère sur la dégradation du coke et sur les réfractaires du fourneau. Les variations d'humidité et de teneur en carbone du coke doivent être contrôlées pour minimiser leur effet sur l'état thermique du processus.

À des niveaux élevés d'injection d'hydrocarbures par les tuyères, il y a une réduction correspondante de la proportion de coke chargé, et par conséquent la qualité du coke devient encore plus importante.

Il est difficile de spécifier une qualité universelle de coke pour une exploitation stable compatible avec une longue durée de vie du HF, car non seulement différents types d'exploitation ont des exigences différentes en matière de coke, mais les propriétés physiques varient également selon le point d'échantillonnage entre les fours à coke et le HF.

En cas d'utilisation de coke provenant de plusieurs sources, soit un mélange adéquat est nécessaire, soit le chargement discret des différents cokes est essentiel, car des proportions fluctuantes de cokes de propriétés différentes entraînent des conditions instables dans le HF.

Le coke au centre du HF remplace progressivement l'homme mort et le coke dans la gueularde, qui doit rester perméable pour permettre aux liquides de s'écouler à travers le centre de la gueularde. Cela évite un écoulement périphérique excessif de FL dans la gueularde, qui peut entraîner une usure sévère des réfractaires à la base de la paroi latérale. Une augmentation de la température au centre du fond de la gueularde est généralement observée avec une augmentation de la taille du coke de l'homme mort, ce qui indique une activité accrue du centre de la gueularde. La taille d'ouverture des cribles à coke est un paramètre important pour le maintien de la perméabilité de la gueularde. Il est généralement bénéfique d'augmenter la taille du crible et de charger le coke fin supplémentaire résultant, mélangé à la charge minérale, loin de l'axe central du HF.

L'objectif de l'utilisation de coke de haute qualité est de garantir que du gros coke atteint les régions inférieures du HF. Pour surveiller cela, il est souhaitable d'échantillonner le coke de temps à autre au niveau des tuyères pour évaluer la dégradation du coke à travers le fourneau. Cela se fait normalement lors des arrêts de maintenance planifiés. Un grand échantillon de coke est prélevé à l'ouverture d'une tuyère et ses propriétés sont comparées à celles d'un échantillon du coke d'alimentation correspondant. Ainsi, d'autres facteurs affectant la taille du coke peuvent également être identifiés.

Un coke de bonne qualité constante et la surveillance du coke à la ligne de charge et au niveau du bosh constituent clairement une stratégie importante pour une longue durée de campagne.

Mélange de la charge minérale

Les HF sont exploités avec une grande variété de composants de charge minérale tels que le sinter, les pellets et le minerai de fer calibré (MFC), etc. Divers flux sont également utilisés dans la charge minérale.

De plus petites quantités d'autres matériaux tels que la ferraille récupérée, les fines ferreuses, les calamines, les scories de convertisseur, l'ilménite, les déchets recyclés, voire le fer réduit directement ou le fer granulé, sont également parfois utilisés dans la charge minérale. L'utilisation de ces matériaux dépend généralement de facteurs locaux.

Les aciéries intégrées possèdent normalement des usines de sinter, donc les HF de ces usines utilisent un grand pourcentage de sinter dans la charge, le solde étant constitué principalement de MFC et/ou de pellets. Les pellets sont préférés au MFC dans certaines usines pour le solde de la charge en raison de leurs propriétés supérieures.

Dans le monde, le pourcentage de pellets dans la charge du HF varie de 0 % à 100 %. L'expérience dans différentes usines a montré que les HF utilisant un pourcentage élevé de pellets subissent des variations de charge thermique plus importantes dans le bas du fourneau et le bosh, entraînant une usure excessive du bas du fourneau et du bosh et une durée de campagne plus courte. L'une des raisons est le contrôle inadéquat de la distribution de la charge. Les pellets ont un angle de repos beaucoup plus faible que le sinter ou le coke et, lorsqu'ils atterrissent sur une ligne de charge inclinée, ont tendance à rouler facilement. Cela se traduit par une couche de minerai relativement épaisse vers le centre du HF, ce qui favorise un flux gazeux excessif au niveau de la paroi du HF.

Cette situation est contrée par l'ajout d'un refroidissement à haute densité dans le bas du fourneau et par l'amélioration des équipements de distribution de la charge. Des fluctuations des températures des lames inférieures, une augmentation des glissements (slipping) et des fluctuations de la température de la FL peuvent être observées avec une charge de pellets, ce qui doit être contrôlé par le contrôle de la distribution de la charge, le chargement de coke central et l'ajout de coke noix aux pellets.

Un aspect important de chaque composant de la charge est ses caractéristiques de ramollissement et de fusion. La majeure partie de la chute de pression à travers un HF se situe dans la région où la charge minérale se ramollit, fond et s'égoutte à travers le lit de coke par lequel les gaz ascendants circulent. Un intervalle de ramollissement et de fusion large entraîne une chute de pression accrue et une grande zone cohésive dont la racine empiète sur la maçonnerie du bas du fourneau, exposant les réfractaires à des températures élevées sur une zone plus large que souhaitable. Une température de paroi plus basse et/ou moins de fluctuations thermiques contribuent à prolonger la durée de vie de la maçonnerie du fourneau.

Les propriétés de ramollissement et de fusion d'une charge à composants multiples diffèrent de celles des composants individuels. Par conséquent, les données d'essais de ramollissement et de fusion doivent être considérées non seulement pour les constituants individuels de la charge, mais aussi pour le mélange minéral proposé, afin d'aider à la sélection de la charge minérale.

Pour minimiser les variations thermiques et chimiques, une charge homogène est souhaitable. Les composants de la charge doivent être mélangés le plus intimement possible. Cela dépend du nombre de composants de la charge et du système de chargement individuel, mais peut généralement être réalisé dans une mesure raisonnable par la sélection des silos de stockage et la séquence de déchargement des matériaux.

Il est possible d'atteindre une exploitation stable du HF et une longue durée de campagne en utilisant différentes charges, à condition que la qualité des matériaux soit constante et qu'il y ait une capacité de refroidissement des parois adéquate et un contrôle de distribution approprié.

Qualité de la charge minérale

Un HF perméable est nécessaire pour une exploitation stable. Il est important que la charge minérale soit résistante, finement calibrée et efficacement criblée pour éliminer les fines. Elle ne doit pas se désagréger excessivement dans le fourneau et générer des fines supplémentaires. Elle doit être suffisamment poreuse, réductible et de taille permettant une réduction efficace au moment où elle atteint la zone de ramollissement. Ainsi, la zone cohésive est moins restrictive, avec moins de scories riches en FeO, et la charge thermique dans les régions inférieures du HF est plus faible, favorisant une exploitation fluide.

Les propriétés de ramollissement et de fusion des composants minéraux ont un effet important sur l'exploitation du HF. Des restrictions dans la zone cohésive et de mauvaises caractéristiques de fusion peuvent entraîner une descente de charge erratique, une exploitation instable et des fluctuations thermiques. Ces conditions risquent de raccourcir la durée de vie des parois du HF.

Il n'existe pas d'essai standardisé de ramollissement et de fusion, et de nombreux indices sont cités pour représenter les températures de ramollissement et de fusion, tels que le début de la réduction directe, la chute de pression pendant la fusion, et la quantité de matériau égoutté, etc.

Distribution de la charge

La distribution de la charge est l'un des principaux facteurs affectant la durée de campagne du HF. Non seulement elle peut affecter la stabilité de l'exploitation, mais en déterminant le flux gazeux radial dans le HF, elle est l'un des principaux facteurs contrôlant le taux d'usure des parois du HF.

Généralement, le flux gazeux radial est contrôlé par le rapport minerai/coke dans la charge, la taille du coke étant généralement plus grande. Cela est normalement réalisé en chargeant les matériaux en couches distinctes et en variant l'épaisseur des couches selon le rayon du HF. La protection des parois du HF est ainsi obtenue en augmentant la proportion de la couche de minerai au niveau de la paroi, ce qui réduit la quantité de chaleur évacuée par le système de refroidissement des parois. Cependant, il y a une limite à la proportion de minerai près de la paroi du HF pour éviter la formation d'une couche inactive, qui pourrait favoriser la formation d'accrétions murales et permettre à de la charge non préparée d'atteindre les régions inférieures du HF et d'augmenter les pertes aux tuyères. La proportion de coke au centre du HF doit être suffisante pour permettre une exploitation stable au niveau de production souhaité. Une grande proportion de coke crée une région relativement perméable avec moins de liquides descendants, permettant l'utilisation du volume de vent maximal sans grandes fluctuations de la pression du vent et sans descente de charge erratique.

Le coke au centre du HF remplace le coke dans la gueularde et un centre riche en coke et perméable favorise une gueularde perméable, ce qui régule l'écoulement des liquides à travers la gueularde. La cheminée de coke centrale ne doit pas être inutilement large. Dans ce cas, une inefficacité résulte et des dommages peuvent être causés à certaines parties du sommet du fourneau en raison de la capacité thermique excessivement élevée des gaz ascendants.

Chargement à granulométrie fractionnée (Split size charging)

Des systèmes de distribution plus sophistiqués permettent un contrôle supplémentaire de la distribution de la charge en utilisant plus d'une gamme de tailles pour un matériau donné. L'une des pratiques les plus courantes est le chargement de matériaux minéraux fins, souvent issus du criblage de la charge minérale principale. Les fines sont chargées séparément en petites quantités près de la paroi du HF, pour donner une réduction localisée de la perméabilité et ainsi protéger les parois. Le chargement d'un lot séparé de matériau plus fin réduit généralement la capacité de chargement du HF.

Coke noix (Nut coke)

Un système de chargement flexible permet l'utilisation de coke noix (taille typique de 10 mm à 30 mm). Le chargement de coke noix, mélangé à la charge minérale et positionné le long du milieu du rayon, améliore l'exploitation en augmentant l'efficacité de la réduction et la perméabilité de la couche de minerai dans la zone cohésive. On observe une perméabilité améliorée et une réduction des températures du ventre avec le chargement de coke noix. Le coke noix chargé au niveau de la paroi, intercalé entre deux charges de minerai, empêche une région inactive au niveau de la paroi lorsque du minerai fin y est chargé. Le coke noix est ajouté aux pellets pour augmenter leur angle de repos, réduisant ainsi la proportion de charge minérale au centre du HF.

Ségrégation granulométrique (Size segregation)

De nombreux systèmes de chargement créent un certain degré de ségrégation granulométrique dans les matériaux d'entrée. Si le matériau initial à décharger est plus fin et le matériau final plus grossier, cette caractéristique peut être utilisée pour bénéficier à la distribution radiale des tailles, et donc à la distribution radiale du flux gazeux. Ce type de ségrégation se produit généralement sur les HF à chargement par bande plutôt que sur les HF à chargement par skip et est plus contrôlable avec un sommet sans cloche (bell-less top). Des modifications appropriées peuvent également être apportées au système de chargement pour améliorer les caractéristiques de ségrégation souhaitées.

Une ségrégation radiale supplémentaire peut également se produire par roulement sur une ligne de charge inclinée. La ségrégation granulométrique peut également modifier les caractéristiques de fusion et de ramollissement de la charge le long du rayon du HF, lorsqu'un composant a une gamme de tailles et une chimie différentes.

Certains systèmes de chargement entraînent une variation circonférentielle de la distribution de la charge. Ces variations doivent être minimisées par la conception ou l'exploitation.

Chargement de coke central (Centre coke charging)

Une grande proportion de coke est généralement nécessaire au centre du HF pour encourager un travail central suffisant pour une exploitation stable. Cela est particulièrement vrai à des productivités plus élevées et lors de l'exploitation avec des niveaux élevés d'injection d'hydrocarbures par les tuyères. Cependant, exploiter avec uniquement du coke au centre du fourneau est moins efficace énergétiquement et des techniques ont été développées pour minimiser la largeur de cette région de chargement de coke central. Sur un sommet sans cloche, cela est réalisé en chargeant un petit lot de coke avec la goulotte rotative complètement abaissée.

Un lit de coke perméable est nécessaire dans la gueularde pour favoriser l'écoulement des liquides à travers le centre de la gueularde et réduire l'écoulement périphérique, qui peut causer une usure excessive de la paroi latérale de la gueularde. Le coke dans l'homme mort et la gueularde est progressivement remplacé par le coke du centre du fourneau. Le chargement de coke central réduit le pourcentage de matériau minéral au centre du HF et améliore la perméabilité de la gueularde. La perméabilité de la gueularde peut être encore améliorée en chargeant du coke stabilisé de plus grande taille au centre.

Durée de vie de l'armure de la gorge (Throat armour life)

Pour une longue durée de campagne, il est important de minimiser l'usure de l'armure fixe de la gorge causée par l'impact direct des matériaux de charge. Bien qu'il soit possible de réparer l'armure de la gorge ou d'incorporer des plaques de protection, cela peut impliquer de longs arrêts de maintenance, qui peuvent eux-mêmes être néfastes à la durée de vie du fourneau. Par conséquent, la distribution de la charge et la hauteur de la ligne de charge utilisées doivent être choisies pour éviter un tel impact de la charge.

Qualité de la fonte (Hot metal quality)

Lors de l'exploitation sans crâne protecteur dans la gueularde, le carbone de la gueularde est généralement éliminé par attaque en solution du fer et de la scorie. Une carburisation précoce du fer, avant qu'il ne contacte le réfractaire de la gueularde, minimise une telle usure de la gueularde.

Pour une carburisation précoce, une période de contact prolongée entre les liquides et le coke est nécessaire. À une productivité donnée, cela peut être favorisé par une zone d'égouttement et un homme mort plus hauts, avec une zone cohésive plus haute. Cela entraîne normalement une augmentation du silicium (Si) de la FL. En général, le niveau de saturation en carbone diminue avec l'augmentation de la teneur en Si. Par conséquent, la FL est plus proche de la saturation à des niveaux de Si plus élevés, pour une taille de HF et une température de FL données.

De plus, une augmentation du Si de la FL augmente la température de liquidus de la FL et réduit ainsi sa fluidité. Cela tend à réduire la vitesse d'écoulement dans la gueularde et à favoriser la formation d'une couche solidifiée sur le réfractaire de la gueularde.

À des températures de FL plus basses, le niveau de saturation en carbone du fer est plus bas et est atteint plus tôt. Une faible température de FL a l'avantage supplémentaire d'augmenter la viscosité du fer, ce qui réduit l'écoulement périphérique, diminuant la tendance à dissoudre les crânes protecteurs et à pénétrer les fines fissures et pores.

Un Si de FL plus élevé et une température de FL plus basse sont difficiles à obtenir simultanément, car une zone cohésive plus haute entraîne généralement un fourneau plus chaud, mais l'effet global est que la FL entrant dans la gueularde se rapproche de la saturation en carbone. Une réduction de la pression élevée au sommet entraîne probablement une légère augmentation du Si sans affecter l'état thermique du HF. La probabilité de dissolution du carbone de la gueularde est plus faible à des niveaux de Si plus élevés.

Diamètre des tuyères (Tuyere diameter)

Le diamètre des tuyères est choisi pour assurer une pénétration du vent adéquate pour les conditions d'exploitation données et pour empêcher un flux gazeux excessif le long des parois du HF. Le choix de la taille des tuyères influence le degré de travail central du HF et le degré de protection des parois du bosh et du bas du fourneau. Il est généralement nécessaire de faire varier le diamètre des tuyères autour du HF pour assurer l'équilibre circonférentiel du flux gazeux.

Bien que les tailles des tuyères soient soigneusement choisies, une augmentation significative du diamètre est souvent observée lors du changement d'une tuyère, en particulier lorsque de longues durées de vie sont atteintes. Cela affecte les deux facteurs mentionnés ci-dessus et il est avantageux en termes de durée de campagne de changer les tuyères après une période donnée, non seulement pour minimiser l'effet de l'usure des tuyères, mais aussi pour réduire la probabilité de fuites d'eau dans le HF et le nombre de périodes hors vent non planifiées pour changer les tuyères défaillantes.

Le diamètre des tuyères directement au-dessus de la pioche est souvent réduit, voire les tuyères fermées, pour favoriser une coulée fluide et réduire la production de fer au-dessus de la pioche.

Le diamètre des tuyères est souvent réduit localement, en réponse à des températures élevées de la paroi latérale de la gueularde, pour réduire les liquides égouttés et l'activité de la gueularde dans la zone problématique. Cela se fait par l'ajout d'inserts de tuyère ou par le remplacement de la tuyère. Dans les cas graves, ou comme mesure d'urgence à court terme, les tuyères en question peuvent être bouchées avec de l'argile. Cela a souvent un effet rapide pour réduire les températures correspondantes de la paroi latérale de la gueularde.

Pratiques de la coulée (Cast house practices)

Les pratiques de la coulée jouent un rôle important dans le contrôle de l'écoulement des liquides dans la gueularde et l'évitement de niveaux de liquide élevés qui pourraient empiéter sur la zone de combustion, affectant la distribution du vent ou causant même des dommages aux tuyères ou aux manchons. Ces facteurs peuvent affecter la stabilité de l'exploitation, entraîner des périodes hors vent et potentiellement affecter la durée de campagne.

Longueur de la pioche (Tap hole length)

Avec une pioche plus longue, les produits liquides ne sont pas seulement prélevés plus bas dans la gueularde, mais aussi à un point plus proche du centre de la gueularde. Cela réduit l'écoulement périphérique près de la pioche et donc l'usure de la paroi latérale de la gueularde. Pour allonger la pioche, il est nécessaire d'augmenter la quantité de masse de pioche injectée sur une période, pour augmenter progressivement la taille du « champignon » à l'intérieur du HF, qui protège également le réfractaire sous la pioche. Avec une longueur de pioche courte et une coulée alternée depuis des pioles largement espacées, les fluctuations de température de la paroi latérale augmentent, augmentant potentiellement l'érosion du réfractaire.

Des températures élevées du fond de la gueularde peuvent être dues à la perte d'une couche gelée et/ou à la dissolution du carbone de la gueularde, tandis que les températures de la paroi latérale de la gueularde sont satisfaisantes. Dans de tels cas, il peut être nécessaire de raccourcir la pioche, en diminuant la quantité de masse de pioche injectée et éventuellement en réduisant l'inclinaison de la pioche. Cela aide à réduire l'écoulement de FL près du centre du HF et à augmenter les liquides retenus sur le fond de la gueularde.

Diamètre de la pioche (Tap hole diameter)

Le diamètre de la pioche nécessaire pour soutenir une productivité donnée dépend des paramètres du HF, tels que la proportion du temps de coulée, la pression au sommet, le volume de scories, la taille du coke de la gueularde, les viscosités des liquides et les propriétés de la masse de pioche. Si la pioche est trop petite pour un taux de production donné, il ne sera pas possible de couler le fourneau à sec. Si la pioche est trop grande, moins de produits liquides peuvent être évacués du fourneau lors d'une coulée car la pioche soufflera prématurément, les liquides au-dessus de la pioche étant évacués avant que les liquides du côté opposé de la gueularde ne puissent descendre à travers le lit de coke. Dans les deux cas, le niveau de liquide dans la gueularde reste élevé et affecte finalement l'exploitation stable. Par conséquent, la taille optimale de la pioche est nécessaire, qui est déterminée par l'expérience.

Lorsqu'une seule pioche est utilisée, la taille doit être choisie pour permettre au HF d'être coulé à sec et fournir suffisamment de temps pour que la masse de pioche durcisse entre les coulées. Sur un HF où des pioles alternées sont utilisées, des pioles de tailles différentes peuvent être nécessaires sous certaines conditions d'exploitation, pour assurer le drainage à travers le fourneau.

Sur un HF multi-pioles subissant une usure du fond de la gueularde, il peut être souhaitable d'augmenter le diamètre de la pioche. Cela, combiné à une diminution de la longueur de la pioche, réduit l'écoulement de fer à travers le fond de la gueularde et augmente le fer résiduel dans la gueularde à la fin de la coulée, favorisant ainsi la formation d'une couche gelée sur le fond de la gueularde.

Masse de pioche (Tap hole mass)

Les propriétés de la masse de pioche sont importantes pour les opérations du HF. La masse doit prendre rapidement et durcir complètement entre les coulées pour créer une pioche solide et durable. La masse de pioche doit avoir de bonnes propriétés d'adhérence, pour construire une structure permanente solide qui résiste à l'écoulement des liquides et protège également les réfractaires de la gueularde sous la pioche.

Nombre, position et performance

Une productivité élevée peut être atteinte sur un HF de taille moyenne à pioche unique. Cependant, il y a des avantages lorsque plus d'une pioche est disponible, ce qui devient une nécessité à des niveaux de production plus élevés. La coulée alternée depuis des pioles sur les côtés opposés du fourneau résulte en un drainage de la gueularde plus efficace, et donne également une période plus longue pour que la masse de pioche durcisse complètement, résultant en une pioche plus durable. L'existence de deux pioles permet une remise en état majeure d'un canal de fer principal sans nécessiter une période hors vent. Si des points chauds se produisent sur la paroi de la gueularde d'un HF multi-pioles, il peut être possible d'utiliser une pioche alternative qui ne favorise pas l'écoulement périphérique dans la zone érodée. L'usure de la paroi latérale résultant de l'écoulement périphérique sera répartie plus uniformément autour de la circonférence sur un HF multi-pioles.

Pour un grand HF à haute productivité, il est préférable d'avoir quatre pioles, permettant à une paire opposée d'être exploitée tandis qu'un canal est réparé et l'autre en réserve. Pour uniformiser l'usure de la paroi latérale et favoriser un drainage complet de la gueularde, celles-ci seraient idéalement situées à intervalles de 90°.

Fréquence et taux de coulée (Casting frequency and rate)

Le taux de coulée est déterminé par la taille du foret de pioche utilisé, les caractéristiques d'usure de la masse de pioche, la pression au sommet, la viscosité des liquides et le nombre de pioles en service. Avec les masses de pioche modernes à haute performance, il y a une tendance à réduire le nombre de coulées, ce qui réduit les coûts d'exploitation de la pioche. En abaissant le taux de coulée, les vitesses des liquides dans la gueularde diminuent mais se prolongent. Sur un HF multi-coulées, il est possible de couler simultanément depuis des pioles opposées (coulée chevauchée ou lap casting), à condition que la masse de pioche durcisse complètement en un temps plus court que la durée de la coulée et que la main-d'œuvre et la logistique le permettent. Cette technique réduit les vitesses d'écoulement dans la gueularde, bien qu'elle ne soit souvent utilisée qu'en cas de niveau de liquide élevé ou avant de mettre le HF hors vent.

Les longs retards de coulée doivent être évités à tout prix, pour minimiser la perturbation des opérations du HF. Cela nécessite une bonne conception et une exploitation fiable des équipements de la coulée, de bonnes pratiques de coulée et un transport bien coordonné des poches de FL.

Alcalins et zinc

Les métaux alcalins et le zinc ont un effet délétère sur le processus du HF et les réfractaires. La charge doit avoir une teneur en alcalins et en zinc au niveau minimum économique. Normalement, les alcalins et le zinc sont contrôlés à des niveaux inférieurs à 5 kg/t FL (la meilleure pratique étant 2 kg/t FL), mais par la condensation de la vapeur d'alcalins sur la charge descendante, une grande charge recirculante peut s'accumuler dans le HF. Cela entraîne une dégradation accrue du sinter et une dégradation du coke, et favorise la formation d'accrétions murales, ce qui peut entraîner une descente de charge irrégulière et une exploitation instable du HF.

Les alcalins et le zinc, sous forme gazeuse, pénètrent les fissures et pores des réfractaires des parois du HF. L'attaque chimique et le cyclage thermique qui en résultent affaiblissent la couche superficielle du réfractaire, qui est éventuellement éliminée par la charge descendante, permettant au processus de se répéter.

Les dissections de gueularde après la fin de campagne ont montré qu'une usure excessive se produit à la base de la paroi latérale et qu'une zone fragile se forme généralement entre la coque et la face chaude du carbone. Les alcalins et le zinc sont souvent trouvés à des niveaux élevés dans cette zone fragile. Divers mécanismes de dégradation ont été proposés impliquant ces composés. Les contraintes et les fissures thermiques dans la paroi latérale permettent aux alcalins et au zinc gazeux de pénétrer et de se déposer dans les pores. Cela entraîne une expansion de la brique, une fragilisation, un gonflement supplémentaire et, finalement, la destruction de la masse réfractaire. Un degré significatif de protection des réfractaires contre les alcalins et le zinc est atteint si une accrétion ou un crâne est gelé sur la face chaude du réfractaire, protégeant ainsi le réfractaire de l'attaque chimique.

La majorité des alcalins sont éliminés dans la scorie et le reste dans le gaz de gueularde. Cependant, la pratique de la scorie, l'état thermique et la distribution de la charge jouent un rôle majeur dans l'élimination des alcalins. Une réduction de la basicité de la scorie augmente la quantité d'alcalins éliminés dans la scorie, tout comme une augmentation du niveau thermique du HF ou de la température au sommet, en élargissant ou en intensifiant le degré de travail central. De plus, pour une charge d'alcalins donnée, la dégradation du coke est susceptible d'être plus importante pour les exploitations avec un taux élevé d'injection d'hydrocarbures par les tuyères, en raison du temps de séjour accru de la charge. Il est important que l'équilibre entre l'entrée et la sortie des alcalins et du zinc soit surveillé et que le HF soit exploité avec un régime thermique et chimique compatible avec le niveau d'entrée de ces éléments, pour favoriser leur élimination dans la scorie et le gaz de gueularde.

Ajout de TiO₂

Des échantillons du revêtement de la gueularde en fin de campagne dans les HF contiennent normalement des dépôts porteurs de titane. Ceux-ci forment une couche protectrice dans les régions érodées de la paroi latérale de la gueularde, dans la salamandre et dans les pores et joints des briques. Le titane est généralement sous forme de carbonitrides Ti(C,N), une solution solide de carbure de titane (TiC) et de nitrure de titane (TiN). Par conséquent, la pratique actuelle consiste à introduire de la titane (TiO₂) dans le HF pour favoriser ces couches protectrices. Trois méthodes sont normalement utilisées pour l'introduction de TiO₂ : (i) ajout à la charge, (ii) injection aux tuyères, (iii) ajout par la masse de pioche.

La technique la plus courante a été l'ajout de minerais titanifères (généralement de l'ilménite) à la charge. Alternativement, le TiO₂ peut être ajouté par le sinter, bien qu'à de faibles niveaux.

Deux stratégies sont généralement adoptées pour l'ajout de TiO₂. La première est curative, commençant les ajouts de TiO₂ seulement lorsque des températures élevées de la gueularde sont observées, indiquant une usure de la gueularde. L'autre adopte une approche préventive et ajoute une petite quantité de TiO₂ en continu, augmentant le niveau d'ajout si des températures élevées sont observées. L'apport de TiO₂ pour l'approche préventive est généralement de 3 à 5 kg/t FL, ce qui se traduit généralement par jusqu'à 0,1 % de Ti dans la FL et 1 % à 1,5 % de TiO₂ dans la scorie. Pour une action curative, le dosage de TiO₂ peut aller jusqu'à 20 kg/t FL, à ce niveau la FL peut contenir jusqu'à 0,3 % de Ti et la scorie jusqu'à 3,5 % de TiO₂. Cela crée des problèmes d'exploitation dus à une viscosité élevée de la scorie et à la formation d'échafaudages dans le canal, et de tels niveaux élevés de TiO₂ ne sont utilisés que pour de courtes périodes.

Pour favoriser la précipitation de Ti(C,N), l'ajout de TiO₂ est parfois augmenté avant un arrêt afin que la FL restante dans la gueularde se sature en Ti. Au fur et à mesure que la gueularde refroidit pendant l'arrêt, cela favorise la précipitation. Cependant, la reprise de la production est plus difficile à des niveaux élevés de Ti car cela crée des problèmes d'exploitation.

Le TiO₂ peut également être ajouté en injectant des fines de TiO₂ à travers les tuyères. Les avantages de cette technique sont : (i) application à des positions localisées, (ii) coût réduit en raison d'un taux de TiO₂ plus faible, (iii) bons résultats d'une injection de courte durée, et (iv) propriétés de la charge inchangées.

La troisième méthode d'ajout de TiO₂ est l'utilisation de masse de pioche contenant du TiO₂. Une telle masse qui a été essayée était liée au goudron avec environ 10 % de TiO₂. Clairement, la titane est liée dans la masse de pioche sous une forme non réduite, et est injectée en quantités relativement faibles. Cependant, il y a des doutes quant à savoir si elle est réduite et dissoute dans la FL en quantités suffisantes pour être précipitée, ou si elle est réduite et liée adéquatement à la paroi latérale de la gueularde pour être bénéfique.

Le TiO₂ est normalement partiellement réduit dans le HF et dissous dans la FL. La solubilité est plus grande à des températures plus élevées. Si le Ti dans la FL approche la saturation et que la température de la face chaude du réfractaire dans les régions érodées, fissures et pores est inférieure à la température de la FL, alors le Ti est précipité sous forme de Ti(C,N). La technique a plus de chances de réussir à des taux d'ajout plus élevés, mais d'autres facteurs peuvent interférer avec ce mécanisme de base, notamment l'état thermique de la gueularde, la chimie métal/scorie et les caractéristiques d'écoulement des liquides.

Les ajouts de TiO₂ sont généralement effectués en conjonction avec d'autres actions correctives telles que la réduction de la productivité, la fermeture des tuyères et l'amélioration de l'intensité du refroidissement de la gueularde. L'effet direct de l'ajout de TiO₂ est donc souvent difficile à déterminer. Il est essentiel d'effectuer des bilans de Ti réguliers et précis pour évaluer la technique et modifier l'exploitation pour favoriser la rétention du Ti. L'effet d'ajouts à haut taux peut même avoir un effet néfaste sur l'exploitation du fourneau, annulant tout bénéfice.

L'ajout de TiO₂ pour la protection de la gueularde doit normalement être considéré comme faisant partie d'un plan de protection de la gueularde plutôt qu'isolément.

Surveillance (Monitoring)

La distribution de la charge doit être surveillée régulièrement pour assurer la protection des parois et un HF stable et bien poussé. Les changements dans les paramètres d'exploitation, par exemple les changements de taux d'injection d'hydrocarbures par les tuyères ou de volume de vent, peuvent nécessiter des ajustements de la distribution de la charge. L'effet de la distribution de la charge est généralement surveillé avec diverses sondes et instruments.

Pour maximiser la durée de campagne, il est nécessaire que l'équipement de chargement soit capable de contrôler avec précision la distribution de la charge. L'instrumentation nécessaire doit également être installée pour surveiller de manière exhaustive l'exploitation du HF afin que la distribution de la charge soit modifiée et évaluée de manière contrôlée et technique.

Instrumentation et contrôle

La détection précoce des zones problématiques de la gueularde est vitale pour maximiser la durée de campagne, et les thermocouples situés dans la paroi latérale de la gueularde et dans le fond de la gueularde sont absolument nécessaires pour surveiller l'usure de la gueularde. Des pratiques opérationnelles révisées et des actions pour protéger la gueularde doivent être entreprises suite à l'augmentation des températures de la gueularde. Les températures du fond et de la paroi latérale de la gueularde peuvent également donner une indication de l'écoulement des liquides dans la gueularde, un facteur important dans l'usure de la gueularde.

Les températures enregistrées par les thermocouples sont influencées uniquement par une petite zone autour du thermocouple. Il est donc vitalement important de localiser les thermocouples dans les zones d'usure critiques. Les zones importantes sont sous les pioles et autour de la base des parois latérales où le motif d'usure dit « pied d'éléphant » est normalement trouvé. Un nombre adéquat de thermocouples doit être installé, dans la meilleure disposition pour donner une couverture aussi complète que possible. À plusieurs emplacements, les thermocouples peuvent être positionnés à deux ou trois profondeurs différentes pour permettre le calcul du profil thermique dans le réfractaire et donc l'épaisseur de réfractaire résiduel.

Le mouvement des blocs de carbone peut pincer les thermocouples du fond de la gueularde, causant de fausses jonctions chaudes ou une défaillance totale. Ces problèmes peuvent être surmontés en installant les thermocouples dans des gaines. Des thermocouples doivent également être positionnés autour des pioles, pour surveiller les conditions et l'exploitation des pioles.

Des thermocouples supplémentaires sont souvent ajoutés en cours de campagne dans les zones d'usure connue des réfractaires, pour donner une image plus localisée des problèmes en développement. De même, des thermocouples sont souvent ajoutés aux zones réparées pour surveiller la réparation.

Surveillance du refroidissement de la gueularde (Monitor hearth cooling)

Le flux de chaleur dans le fond de la gueularde ou le refroidissement des lames peut être déterminé à partir des débits d'eau et de la différence entre les températures d'entrée et de sortie de l'eau, en utilisant des thermomètres à résistance. Il ne peut être utilisé que pour donner une indication de l'usure moyenne de la gueularde. Il est particulièrement applicable dans les stades ultérieurs d'une campagne, suite à la détérioration des thermocouples. La surveillance des tendances à long terme des températures de l'eau de refroidissement de la gueularde peut donner une indication de l'efficacité du système de refroidissement.

Conditions des parois du fourneau (Furnace wall conditions)

Les conditions de processus aux parois du fourneau sont vitales pour la durée de campagne. Les parois ne doivent pas être soumises à des charges thermiques élevées provenant d'une quantité excessive de gaz montant le long de la paroi ou de l'impact de la zone de fusion sur la paroi, ce qui entraîne une détérioration rapide du réfractaire et une usure des éléments de refroidissement. D'un autre côté, les parois ne doivent pas être si inactives que de grandes accrétions soient autorisées à se former sur elles, ce qui empêche une descente de charge fluide, le contrôle de la distribution de la charge et une exploitation stable du HF. Pour surveiller les conditions des parois, une variété de méthodes sont utilisées.

La méthode courante de surveillance des parois utilise des thermocouples dans la maçonnerie, positionnés dans la maçonnerie, avec les pointes à une courte distance de la face chaude pour donner une bonne réponse thermique. L'activité de la paroi est surveillée à partir du niveau de température et des fluctuations.

Il doit y avoir une bonne couverture de thermocouples à la fois verticalement et circonférentiellement pour surveiller les parois adéquatement. Typiquement, sept niveaux de thermocouples, chacun avec huit positions circonférentielles, sont utilisés. Avec un grand nombre de thermocouples, il est difficile pour l'opérateur de surveiller la variation de tous. En utilisant les températures à de nombreux points, une carte isotherme est normalement générée, identifiant les régions de températures élevées ou basses qui se rapportent à l'usure des réfractaires, à une exploitation asymétrique ou à la formation d'accrétions. Le comportement dynamique de la température est également utilisé pour prédire la formation ou la perte et l'étendue d'une accrétion.

Des thermocouples de gorge ou de peau sont souvent installés autour de la périphérie, juste en dessous de l'armure fixe de la gorge. Les pointes des thermocouples sont installées au niveau de la face chaude du réfractaire, pour enregistrer la température du gaz. Ceux-ci donnent une mesure directe du flux gazeux au niveau de la paroi et sont généralement insensibles au dépôt de matériau, contrairement aux thermocouples dans la maçonnerie plus bas dans le fourneau.

Sondes de mesure radiale (Radial measuring probes)

L'utilisation de sondes rétractables est l'une des techniques importantes pour surveiller et optimiser la distribution de la charge, et donc la durée de campagne. De telles sondes sont la seule méthode pour mesurer la variation des caractéristiques d'exploitation le long du rayon du fourneau, par opposition à la seule dépendance aux mesures de paroi. Elles sont essentiellement de deux types : (i) surcharge (overburden), et (ii) sous-charge (underburden).

Les sondes de surcharge ont plusieurs fonctions. Le type le plus simple est généralement fixe, refroidi à l'eau et mesure le profil radial ou diamétral de la température du gaz de gueularde et, dans certains cas, l'analyse du gaz. La plupart des sondes rétractables mesurent le profil des couches de la ligne de charge et peuvent être de type mécanique, où un poids est abaissé jusqu'à la ligne de charge, ou de type sans contact, utilisant radar, micro-ondes, lasers, etc.

La vitesse du gaz de gueularde peut également être déterminée physiquement pour mesurer la quantité de flux gazeux, et l'analyse et la mesure de la température du gaz de gueularde sont fréquemment effectuées en conjonction avec les autres fonctions. Les sondes sont également utilisées pour déterminer la trajectoire du matériau sortant de la goulotte rotative ou de l'armure de gorge mobile, pour l'étalonnage des modèles prédictifs de distribution de la charge et pour déterminer l'effet de l'usure de la goulotte de chargement.

Les sondes de sous-charge, ou dans la charge, échantillonnent le gaz et mesurent la température à plusieurs positions radiales. Elles sont généralement positionnées dans le haut du fourneau, typiquement à 3 m à 6 m sous la ligne de charge. Ces sondes sont généralement de deux types. Le type consommable, typiquement de 50 mm de diamètre, se courbe avec la charge descendante et est redressé au retrait pour une réutilisation ultérieure.

Puisque le gaz de gueularde doit passer de la ligne de charge vers l'une des quatre descentes, le schéma de flux gazeux commence à se déformer près de la ligne de charge. Un grand degré de mélange gazeux se produit alors au-dessus de la charge, et les sondes de surcharge doivent être positionnées près de la ligne de charge, et de préférence inclinées, pour donner des profils de température et de gaz acceptables. Les sondes de sous-charge du haut du fourneau sont plus sensibles et donnent des résultats supérieurs aux sondes de surcharge. De plus, les sondes de surcharge fixes peuvent être assez grandes et, selon la hauteur de la ligne de charge, peuvent créer une « ombre » et déformer la distribution de la charge en dessous d'elles, ce qui peut donner des résultats non représentatifs.

Les sondes, en particulier les sondes de sous-charge, sont des outils essentiels pour prolonger la durée de campagne du HF.

Modèles de gueularde (Hearth models)

Ces dernières années, avec l'augmentation de la puissance de calcul disponible, de nombreuses techniques mathématiques et numériques ont été développées pour prédire l'érosion de la gueularde du HF et l'écoulement des liquides dans la gueularde.

L'usure du revêtement de la gueularde peut être calculée par un modèle mathématique, en utilisant les mesures de température des thermocouples intégrés dans le fond et la paroi latérale de la gueularde. Pour que cette technique soit précise, une bonne couverture de thermocouples est requise et leur profondeur d'insertion doit être connue avec précision, ainsi que les propriétés thermiques et la géométrie du revêtement. La précision peut également être affectée par des paramètres qui peuvent changer avec le temps, tels que la conductivité du dammage, le contact thermique entre les rangées de maçonnerie et le développement d'une zone fragile dans le réfractaire, qui peut modifier significativement sa conductivité.

Bien que les températures de la gueularde seules donnent une indication directe de l'usure de la gueularde, ce type de modèle combine les informations des thermocouples, à différentes distances de la face chaude, pour prédire l'étendue de l'usure et des couches solidifiées plus précisément.

La mesure directe de l'usure du revêtement de la gueularde est difficile et indésirable car cela nécessite des forages d'essai et des capteurs intégrés à travers toute l'épaisseur du réfractaire.

Intelligence artificielle (Artificial Intelligence)

Le processus du haut fourneau est complexe, avec un grand nombre de variables de processus. Les fours modernes, bien instrumentés, ont des centaines de capteurs qui doivent être surveillés par un nombre décroissant d'opérateurs. Par conséquent, des systèmes informatisés sont développés pour traiter l'information primaire disponible et donner des conseils secondaires aux opérateurs. Cela est basé sur un ensemble de règles d'exploitation, l'analyse statistique des données, l'identification de tendances comparées aux données historiques et l'utilisation de techniques intelligentes telles que la logique floue et les réseaux de neurones. Le but de ces systèmes est de prédire les écarts par rapport à une exploitation stable et de quantifier le changement des paramètres de contrôle nécessaires pour minimiser les écarts de production et de qualité. Cela se traduit par une exploitation plus stable du HF, évitant les problèmes majeurs d'exploitation tels que la descente de charge erratique et les conditions froides (chilled), qui est une exigence primaire pour une longue durée de campagne.

Capteurs du sommet du fourneau (Furnace top sensors)

Depuis la fin des années 1970, de nombreux HF ont été équipés de caméras infrarouges visualisant à travers des fenêtres dans le cône supérieur, pour mesurer le profil de température de la ligne de charge. Cette technique surmonte certains inconvénients des sondes de température de surcharge fixes. La charge descendante n'est pas dispersée comme avec les sondes, ce qui conduit à une distribution de charge plus symétrique, et en mesurant la température du matériau, les effets de la distance ligne de charge-sonde, qui peuvent entraîner un mélange gazeux et désensibiliser le profil de température, sont évités. Un avantage supplémentaire est que la rotation de la goulotte de distribution dans le fourneau peut être observée. Cependant, ces systèmes sont coûteux, difficiles à maintenir et rencontrent des problèmes pour garder la fenêtre de visualisation propre, en raison du gaz de gueularde humide et poussiéreux. Des problèmes ont été rencontrés avec la poussière dans le gaz de gueularde affectant également la distribution de température. Par conséquent, ces caméras ne sont pas un équipement standard et de nombreux opérateurs les ont abandonnées au profit des sondes radiales.

Certains fourneaux sont équipés de systèmes de mesure de profil de ligne de charge sans contact installés dans le cône supérieur du fourneau. Ces systèmes remplacent efficacement une sonde de surcharge rétractable et, bien que coûteux, ont l'avantage de mesurer sur une plus grande proportion de la ligne de charge que le rayon unique d'une sonde.

Thermographie

L'utilisation de caméras d'imagerie thermique pour détecter les points chauds sur la coque du fourneau, le système de gaz de gueularde, les colonnes de tuyères, les rechauffeurs, les conduits d'air chaud et de bustle, et autres équipements auxiliaires, est importante. Non seulement cela permet la détection précoce des zones problématiques et leur rectification systématique, mais cela aide également à prévenir les défaillances catastrophiques, dans lesquelles le HF doit être mis hors vent de manière soudaine et incontrôlée, suivie d'une récupération souvent difficile, ce qui aurait un effet néfaste sur la durée de campagne.

Détection des fuites (Leak detection)

Un système efficace de détection des fuites d'eau dans le HF provenant des tuyères et d'autres éléments de refroidissement est essentiel. Les fuites d'eau non détectées peuvent refroidir le fourneau, entraînant une exploitation erratique et une récupération difficile des conditions froides. La fuite d'eau affecte directement la durée de campagne du HF si elle endommage les réfractaires. Les fuites d'eau dans les régions inférieures, plus chaudes du HF, qui sont revêtues de matériaux carbonés, entraînent inévitablement l'oxydation des réfractaires. Des trous de rats dans les réfractaires de la gueularde peuvent en résulter, ce qui peut mener à des percées (breakouts). La fuite d'eau peut également entraîner des problèmes de pioche qui peuvent perturber les opérations.

Des systèmes de détection de fuites de tuyères sont souvent utilisés. Un système de détection de fuites intègre un système de débitmètres magnétiques avec analyse informatique des flux différentiels. Un autre système de détection de fuites utilise un système de circuit d'eau fermé sous pression incorporant des réservoirs de appoint dont la fréquence d'appoint indique la gravité d'une fuite. D'autres systèmes impliquent l'observation de bulles de gaz ou de teneur en CO dissous dans l'eau, des mesures de pression différentielle, etc.

Un bon système de détection de fuites avertit souvent l'opérateur d'une fuite d'eau à ses premiers stades, avant qu'un hors vent immédiat ne soit requis. Cela donne l'opportunité d'isoler l'élément fuyant avant que le fourneau ne soit mis hors vent de manière contrôlée, avec réduction de l'injection d'hydrocarbures par les tuyères et ajustements du rapport minerai/coke, minimisant ainsi les effets néfastes résultant de l'arrêt subséquent.

Maintenance de l'usine (Plant maintenance)

Tous les travaux de maintenance possibles doivent être effectués pendant la production, réduisant ainsi le temps hors vent nécessaire. Pour minimiser la durée d'un arrêt planifié, une bonne planification et une préparation en amont sont nécessaires. Bien que ces facteurs soient évidents pour l'économie et pour maximiser la production de l'usine, leur effet à long terme sur la durée de vie du fourneau n'est pas toujours considéré.

Des préparations doivent toujours être en place pour que la maintenance puisse être effectuée si le fourneau sort du vent de manière non planifiée pour d'autres raisons. Par exemple, si le fourneau est hors vent pour un changement de tuyère, il peut être possible d'effectuer des travaux sur le système de chargement. Si le fourneau est hors vent pour des problèmes à l'aciérie, il peut être possible d'effectuer une maintenance plus extensive. De cette façon, le nombre total d'arrêts pendant une campagne de HF peut être réduit et leur durée minimisée.

Une maintenance efficace réduit le nombre de pannes qui entraînent des arrêts non planifiés. Cela implique la maintenance de routine, des inspections régulières, la vérification périodique de l'instrumentation importante, et la surveillance de l'état, par exemple la surveillance des vibrations et thermique. Cela est le plus important aux stades ultérieurs d'une campagne, car les équipements auxiliaires vieillissent et deviennent moins fiables.

De même, des techniques améliorées de maintenance de la coulée peuvent réduire le temps hors vent, par exemple l'extension de la durée de vie du canal de fer principal sur un HF à pioche unique réduit le temps d'arrêt.

Périodes hors vent (Off blast periods)

Le nombre de périodes hors vent, principalement non planifiées, a un effet majeur sur la durée de campagne en termes de production par unité de volume, qui est réduite de manière disproportionnée par rapport au pourcentage de temps d'arrêt. Des dommages aux parois peuvent résulter d'un degré accru de travail de la paroi aux volumes de vent réduits rencontrés lors de la mise hors et sous vent, du refroidissement et du réchauffage des réfractaires ou d'une exploitation erratique pendant la récupération de l'arrêt.

Certains opérateurs de HF indiquent que les périodes hors vent « reposent » la gueularde et permettent à un crâne protecteur de se former ou de s'épaissir. En fait, mettre le HF hors vent est souvent une procédure d'urgence, aux stades ultérieurs de la campagne, lorsque des températures élevées sont détectées dans le réfractaire de la gueularde.

Arrêts courts (Short stoppages)

Pour les arrêts planifiés, du coke supplémentaire peut être chargé plusieurs heures à l'avance, pour compenser les conditions de vent réduites et les pertes de chaleur pendant la période d'arrêt. Ce coke supplémentaire dans les régions inférieures du HF aide à une récupération fluide de l'arrêt. Il est d'usage de diminuer ou d'éliminer l'injection d'hydrocarbures par les tuyères pour un arrêt.

À des taux d'injection élevés, il y a une proportion beaucoup plus faible de coke dans le HF, qui est par conséquent moins perméable et cela peut entraver la récupération de l'arrêt. De plus, à des taux d'injection élevés, le HF est nettement déficitaire en carburant pendant la récupération jusqu'à ce que l'injection soit reprise. Cela peut ne se produire que lorsque le volume de vent a atteint environ la moitié de son taux maximal, lorsque une zone de combustion adéquate est formée et que l'injectant peut être consommé en toute sécurité. S'il y a des problèmes d'exploitation pour établir les conditions de la zone de combustion et revenir au niveau de vent où l'injection est possible, cela peut entraîner des conditions froides ou des blocages de tuyères avec de la scorie et le HF est déficitaire en carburant à un moment où du carburant supplémentaire est nécessaire.

En plus de la compensation du rapport minerai/coke, un changement de charge est généralement souhaitable pour une période d'arrêt. Les composants de charge de taille plus petite doivent être retirés de la charge pour favoriser la perméabilité après l'arrêt. Des niveaux élevés de minerais titanifères doivent également être réduits pour éviter des problèmes à des températures de FL plus basses après l'arrêt. La proportion de composants de charge qui se dégradent à haute température sur une longue période, tels que les minerais sujets à la décrepitation, doivent être réduits dans une charge d'arrêt. De plus, une charge plus acide peut être chargée pour compenser une teneur plus élevée en Si dans la FL pendant la récupération de l'arrêt.

Pendant un arrêt, d'autres facteurs délétères peuvent se produire qui affectent le retour à l'exploitation à plein vent. Par exemple, cela peut inclure : (i) des périodes prolongées à volume de vent réduit pour couler le fourneau à sec avant le hors vent, (ii) une période d'arrêt prolongée pour diverses raisons, (iii) une fuite d'eau dans le HF pendant l'arrêt, et (iv) des problèmes pendant la récupération qui peuvent nécessiter plusieurs hors vent (peut-être pour rectifier des fuites de vent ou des défauts de chargement, etc.). Dans de telles circonstances, les conditions d'exploitation indésirables sont prolongées et le coke supplémentaire chargé peut ne pas être adéquat, conduisant à une récupération moins fluide de l'arrêt.

Pour assurer une exploitation fluide et minimiser l'effet d'un arrêt sur la durée de vie du HF, certains opérateurs préconisent un démarrage lent après un arrêt planifié. Un exemple typique est de contrôler la production à 90 % le jour avant un arrêt et de reprendre à 80 %, puis 90 % de production les deux jours suivant l'arrêt. Cependant, cela peut ne pas être acceptable pour d'autres opérateurs, dans des conditions où une production élevée est nécessaire.

Les arrêts non planifiés sont indésirables et, si possible, de nombreux opérateurs de HF essaient de retarder la mise hors vent du HF assez longtemps pour permettre à une charge compensée de descendre au niveau du bosh. On tente généralement de couler le HF le plus à sec possible, pour éviter de renvoyer de la scorie dans les tuyères et les manchons, qui pourraient geler et prolonger davantage l'arrêt. Cela donne aussi le temps de préparer les travaux de réparation et de minimiser le temps hors vent. Pour compenser la chaleur perdue due à un arrêt non planifié, l'injection d'hydrocarbures par les tuyères est généralement augmentée après la remise sous vent, à condition qu'elle ne soit pas déjà à son niveau maximal.

Les arrêts de production peuvent également survenir en raison de problèmes à l'aciérie ou pendant les périodes de faible demande. Ces occurrences doivent être coordonnées de manière à obtenir un avertissement anticipé lorsque possible, et à donner l'option d'une charge compensée. La machine à couler les lingots (MCL), la flotte de poches torpilles ou les mélangeurs de l'aciérie doivent être utilisés comme tampon pour les arrêts courts. Dans certaines circonstances, lorsqu'il y a un avertissement minimal d'un arrêt, le HF n'est pas sec et il y a peu de capacité de poches vides, et il n'y a pas de MCL disponible, il est préférable de jeter la FL.

Les techniques de projection de pile (stack spray) pour la réparation des réfractaires de paroi ont progressé, permettant de guniter les parois lors d'un arrêt relativement court, en abaissant la charge à un niveau bas. Bien que cela permette de charger une grande quantité de coke aux niveaux inférieurs du fourneau pour aider au démarrage, il y a souvent des difficultés dues à la quantité de matériau réfractaire rebondi tombant dans le fourneau. Le démarrage est plus facile si un matériau à faible rebond est utilisé et que le HF est soufflé jusqu'au niveau des tuyères, permettant au matériau rebondi d'être ratissé hors du fourneau. Cela peut être réalisé plus efficacement par l'utilisation de tôles ondulées en forme de T, insérées enroulées à travers les ouvertures des refroidisseurs de tuyères. La chimie de la charge de remise sous vent doit également être ajustée pour donner une chimie de scorie qui permette au matériau rebondi résiduel de fondre.

Il y a une différence d'opinion quant à savoir si les débits d'eau de refroidissement doivent être diminués pour les arrêts d'une durée supérieure à une durée donnée. Certains opérateurs préfèrent des débits réduits pour maintenir les températures des réfractaires. La majorité préfère le refroidissement de la gueularde à plein débit pour favoriser un crâne protecteur plus épais, tandis que ceux qui réduisent le débit d'eau suggèrent qu'en enlevant moins de chaleur, cela aide à un démarrage fluide.

Un autre facteur qui affecte la récupération d'un arrêt est l'élimination d'une accrétion des parois du HF, résultant du travail supplémentaire de la paroi et de la descente de charge erratique. Cela peut entraîner des conditions froides à un moment où elles sont le moins souhaitables. Si une accrétion est connue pour s'être formée, il est souhaitable d'essayer de l'éliminer avant un long arrêt. Un bon système de surveillance des accrétions fournit un avertissement immédiat en cas de survenue, pour permettre une compensation thermique dès que possible.

Arrêts longs (Long stoppages)

Selon la durée de l'arrêt, le HF peut être rempli d'un blanc de coke et d'une charge à faible rapport minerai/coke, ou la charge peut être soufflée jusqu'au niveau des tuyères. Pour les arrêts de plusieurs semaines ou plus, la salamandre doit être vidée. Sinon, non seulement une quantité considérable de chaleur de processus sera nécessaire pendant la récupération pour la faire fondre, mais elle se dilatera tout en étant encore solide et créera des contraintes excessives sur les réfractaires de la gueularde et la coque, raccourcissant leur durée de vie. Cela est encore plus important pour les HF où la profondeur du sump a été augmentée pour réduire l'écoulement périphérique de fer dans la gueularde. Il est souhaitable de surveiller ces contraintes avec des jauges de contrainte attachées à la chemise de la gueularde, et de développer des procédures pour minimiser de telles contraintes.

Pour récupérer de longs arrêts, lorsque le HF est dans un état froid, il est nécessaire de « réchauffer la gueularde et d'établir un lien précoce entre la pioche et les tuyères pour permettre l'évacuation des liquides. Cela peut être fait par l'utilisation d'un tuyau de vent à la pioche ou l'utilisation d'une lance oxy-combustible. Il est important d'empêcher l'oxygène entrant à la pioche d'endommager le carbone de la gueularde, ce qui peut raccourcir directement la durée de campagne. La récupération de conditions de gueularde froides, suite à une entrée d'eau majeure pendant un arrêt de maintenance de routine, a été signalée comme ayant entraîné une érosion sévère de la gueularde. La récupération de longs arrêts, avec une grande quantité de métal solide dans la gueularde et un homme mort imperméable, peut entraîner un écoulement périphérique excessif dans la gueularde avec une érosion accélérée de la paroi latérale de la gueularde.

Règles de production (Production rules)

Étant un processus continu, le HF est exploité par un certain nombre d'opérateurs différents qui, sans un ensemble de règles à suivre, réagiraient différemment à une situation donnée. Les actions individuelles prises peuvent ne pas être les bonnes et, par conséquent, le processus peut être plus variable que si l'action idéale était prise. La majorité des HF sont donc exploités selon des procédures définies qui ont été développées et améliorées par l'expérience. Ces règles couvrent un large domaine, y compris les procédures pratiques et le contrôle de processus.

Pour maximiser la stabilité du HF, il est nécessaire de contrôler avec précision à la fois l'état thermique et l'aérodynamique du fourneau. Les aciéries conçoivent généralement leurs propres règles pour contrôler l'état thermique, qui impliquent généralement le Si et la température de la FL comme indicateurs, avec l'utilisation de l'analyse du gaz de gueularde et le calcul de la quantité de chaleur disponible dans le HF pour la réduction de la silice et la surchauffe des produits liquides. Le contrôle de l'état thermique se fait généralement par ajustement des conditions aux tuyères ou par de petits changements dans la quantité de coke chargée. L'aérodynamique du fourneau est surveillée par des règles relatives aux chutes de pression du fourneau et aux taux de descente de la charge, avec ajustement du volume de vent, de la distribution de la charge ou des propriétés de la charge pour atteindre la stabilité.

Des règles d'exploitation sont également nécessaires pour les opérations non routinières, où des dommages au HF peuvent résulter de procédures incorrectes, par exemple dans la récupération de conditions de gueularde froides, où des dommages aux réfractaires peuvent se produire.

Règles spécifiques pour la prolongation de la durée de vie du HF

De nombreux opérateurs ont un ensemble spécifique de pratiques d'exploitation pour la prolongation de la durée de campagne, qui sont en place pour minimiser les dommages ou prévenir une détérioration supplémentaire du HF. Comme la gueularde est la région critique du HF qui ne peut être réparée sans un long arrêt, ces règles ou plans d'action concernent souvent les conditions de la gueularde. Typiquement, les actions sont définies selon les températures de la gueularde ou l'épaisseur du réfractaire.