Guide complet pour l'arrêt sécurisé d'un haut fourneau

Méthodes d'arrêt d'un haut fourneau

Un haut fourneau, après avoir été mis au vent et commencé la production de fonte, fonctionne pendant un grand nombre d'années avant d'être mis à l'arrêt pour rechargement. Cette exploitation continue du haut fourneau est appelée durée de campagne. Dans les hauts fourneaux modernes, une durée de campagne de 15 à 20 ans est attendue. Lorsqu'un fourneau a atteint la fin de sa campagne, il est généralement mis hors vent (blown out/blown down). Entre la mise au vent et la mise hors vent, le haut fourneau peut devoir être arrêté pour de courtes périodes pour diverses raisons. Les différents types d'arrêts d'un haut fourneau sont décrits ci-dessous (Fig. 1).

Fig. 1 : Principales méthodes d'arrêt d'un haut fourneau

Ventilation réduite (Fanning)

Très souvent pendant l'exploitation du haut fourneau, une situation peut survenir où la pleine capacité productive du fourneau n'est pas requise pour une certaine période. Cela peut être dû à des problèmes survenant dans les installations en aval ou en amont. Lorsque cela se produit, le problème peut être résolu soit en arrêtant le haut fourneau, soit en limitant son exploitation en réduisant la quantité d'air chaud. Le débit d'air chaud est généralement réduit jusqu'à ce que la pression de l'air chaud aux tuyères soit très faible. Cependant, il est impératif de maintenir une pression positive dans le système d'air chaud pour s'assurer qu'il n'y a aucun danger de retour de gaz de haut fourneau du fourneau vers le système de soufflerie. La technique consistant à réduire le volume d'air chaud à moins de 20 % à 25 % de la normale est connue sous le nom de ventilation réduite (fanning).

La ventilation réduite présente les avantages de maintenir le système de gaz du haut fourneau sous pression et de fournir une petite quantité de gaz de haut fourneau pour être utilisé comme combustible, et permet une reprise d'une exploitation proche de la normale avec un préavis relativement court. Cette technique est utilisée pour les situations d'urgence ou de courtes périodes seulement. Une utilisation prolongée, comme 8 heures sur 24, ou les week-ends, entraîne souvent une accumulation dans la gueularde et favorise fréquemment la formation de croûtes (scabs) sur les parois.

Tirage inverse (Back drafting)

Pendant la durée de campagne d'un haut fourneau, il y a des occasions où le haut fourneau est mis hors vent pour de courtes périodes pour effectuer diverses fonctions de maintenance telles que le remplacement de tuyères, de refroidisseurs de tuyères ou la maintenance des équipements périphériques. Dans de tels cas, le haut fourneau est mis en tirage inverse (back drafted). Dans cette opération, dès que l'air chaud est arrêté, le tuyère de distribution (bustle pipe) est mis sous pression négative. Cela se fait normalement en ouvrant la vanne de cheminée et la vanne d'air chaud vers un réchauffeur qui a déjà été préparé en le chauffant à température, puis en fermant la vanne de gaz. Alors que le gaz de haut fourneau est aspiré en retour dans le réchauffeur, de l'air est admis par les vues (peep sights) et le brûleur du réchauffeur, et l'opérateur s'assure que le gaz brûle dans le réchauffeur. Pendant l'opération, les évents (bleeders) au sommet du haut fourneau sont également ouverts pour aspirer une partie du gaz de haut fourneau par le sommet.

Dans certains hauts fourneaux, une cheminée de tirage inverse spéciale est installée afin qu'il ne soit pas nécessaire de faire remonter le gaz de haut fourneau à travers le réchauffeur. Cette cheminée est connectée au tuyère de distribution ou au collecteur d'air chaud. Dans certains endroits, elle est fermée par une vanne à guillotine refroidie à l'eau au niveau du tuyère de distribution, tandis que dans d'autres, elle est fermée par une vanne à chapeau (cap valve) au sommet de la cheminée qui n'est pas refroidie. L'ouverture de la vanne permet au gaz de haut fourneau de s'évacuer vers l'atmosphère où il brûle sans difficulté.

Mise en banque (Banking)

Dans l'exploitation actuelle des hauts fourneaux, la mise en banque (banking) est rarement pratiquée. Cependant, la mise en banque est considérée comme une technique standard pour l'arrêt du haut fourneau, sauf si l'interruption est de courte durée. Les hauts fourneaux sont normalement soufflés à vide (blown down) de nos jours, ce qui signifie qu'ils sont exploités sans chargement jusqu'à ce que le niveau de charge atteigne les tuyères. Les plans pour un arrêt prolongé ou une interruption de l'exploitation du fourneau, que ce soit pour une panne, une réparation planifiée ou parce que les conditions du marché indiquent qu'une pause de production est souhaitable, peuvent amener la direction à souffler à vide un haut fourneau.

Le processus de mise en banque du haut fourneau est adapté, car la procédure de mise en banque est utile pour les interruptions courtes. Le terme « banking » est utilisé en raison d'une similarité avec l'opération de couvrir un feu. L'origine est perdue dans l'antiquité, mais généralement, cela signifie couvrir un feu de cendres ou de combustible frais pour restreindre l'air, réduire le taux de combustion, et ainsi préserver le combustible pour une utilisation future.

La mise en banque est également utilisée comme mesure d'urgence lorsqu'un événement imprévu nécessite l'arrêt du haut fourneau. En cas de mise en banque du haut fourneau, le vent est coupé, les manchons (blow pipes) sont abaissés et les ouvertures des tuyères sont bouchées avec de l'argile pour empêcher l'air de passer par tirage. Ainsi, la chaleur de la gueularde est préservée et le haut fourneau peut être remis en exploitation avec un minimum d'effort. Si la durée d'arrêt dépasse quatre ou cinq jours, des difficultés peuvent être attendues pour la reprise de l'exploitation, bien que des exemples existent où aucun problème n'a été rencontré même après une mise en banque de sept jours.

Normalement, l'opération de mise en banque du haut fourneau est réalisée comme un événement planifié. Les préparatifs sont faits en fonction de la durée de mise en banque anticipée. Si le fourneau doit être mis en banque pendant seulement quelques jours, un ou deux blancs de coke supplémentaires peuvent être chargés sans flux et le fourneau mis hors vent lorsque le coke descend dans la zone du bosh. S'il doit être mis en banque pour un temps légèrement plus long, la charge de minerai et de calcaire doit être réduite de 5 % à 10 % après le blanc de coke, possiblement pour dix ou quinze charges avant que le poids de charge normal ne soit repris. Cette technique est encore utilisée pour des interruptions très courtes.

Une charge de mise en banque pour un arrêt d'une durée indéterminée est très similaire à une charge de mise au vent. Avant le début d'une charge de mise en banque, les matériaux ferreux divers sont retirés de la charge et une forte réduction est faite dans la quantité de calcaire chargé. Du coke supplémentaire est également chargé avant la charge de mise en banque. Le but est de développer une scorie siliceuse chaude qui a tendance à nettoyer l'accumulation de chaux sur les parois du bosh et d'empêcher une scorie trop calcaire lors de la remise au vent. Une scorie à haute teneur en chaux a un point de fusion plus élevé et est susceptible de causer certains problèmes d'exploitation au début de la période de remise au vent. Souvent pendant la période initiale de réchauffement, les températures doivent être très élevées dans le bosh, ce qui entraîne une augmentation de la réduction de la silice en silicium, avec pour résultat que la scorie contient une proportion plus élevée de chaux. Pour cette raison, on s'efforce d'avoir une scorie siliceuse chaude au moment où le haut fourneau est mis en banque, car une condition similaire lors de la reprise de l'exploitation est attendue.

Après les charges préparatoires initiales, un blanc de coke lourd est chargé et le chargement ultérieur est similaire à une charge de mise au vent caractéristique. Le chargement continue jusqu'à ce que le blanc de coke atteigne la zone supérieure du bosh du fourneau. À ce moment, la coulée finale du haut fourneau est effectuée. On s'efforce de vider la gueularde jusqu'à ce qu'un soufflage à sec de la pioche soit observé pour assurer une gueularde propre pour le futur redémarrage et éliminer autant que possible le besoin de fondre de la scorie froide au début de la période de remise au vent. Avant la dernière coulée, le récupérateur de poussière du haut fourneau est vidé. La poussière accumulée a tendance à se consolider en une masse rocheuse si elle n'est pas perturbée pendant un certain temps et peut présenter un problème difficile après la reprise de l'exploitation.

Vers la fin de la coulée, avant que le haut fourneau ne soit mis hors vent, une lourde couverture de minerai peut être déversée dans le haut fourneau pour recouvrir la surface supérieure de la charge, réduisant ainsi la tendance naturelle au tirage du haut fourneau.

À la fin de la coulée, la pioche est bouchée, l'air chaud est coupé du haut fourneau, les évents sont ouverts, de la vapeur est envoyée dans le récupérateur de poussière, le haut fourneau est isolé du système de gaz commun et les vannes des réchauffeurs sont manipulées pour faire remonter le gaz à travers le tuyère de distribution, le collecteur d'air chaud et vers la cheminée du réchauffeur. Les opérateurs du haut fourneau abaissent rapidement les manchons et bouchent les tuyères avec de l'argile. Dans de nombreux endroits, il est préférable de retirer les tuyères pour éviter toute chance qu'une fuite d'eau égarée permette à l'eau de s'accumuler dans le haut fourneau et aussi pour fournir une opportunité d'observer les refroidisseurs pour d'éventuelles fuites. De l'argile est solidement tassée dans les ouvertures des tuyères et soutenue avec du sable pour éliminer toute chance d'infiltration d'air. Parfois, cela est suivi par le maçonnage des ouvertures comme assurance supplémentaire contre l'infiltration d'air.

Dès que les manchons sont abaissés après la coulée finale, les soufflantes sont arrêtées, et les vannes de brûleur, de cheminée et d'air chaud des réchauffeurs sont fermées pour préserver la chaleur le plus longtemps possible. En précaution, les vannes de décharge (blow off valves) sont légèrement ouvertes pour empêcher une accumulation de pression de se développer dans les réchauffeurs d'air chaud résultant d'une fuite d'eau non détectée ou de quelque source insoupçonnée.

Dans un jour ou deux, le trou d'homme au sommet du haut fourneau est ouvert et la vapeur est coupée dans le récupérateur de poussière. L'inspection quotidienne de la ligne de charge est importante. Un lent mouvement de la ligne de charge est une indication que l'air s'infiltre et que le coke est consommé. Un petit mouvement peut être attendu mais une baisse continue est indésirable et peut forcer les opérateurs à pulvériser le bosh avec un matériau d'étanchéité. Un mélange mince d'eau, d'argile et de verre d'eau est parfois utilisé car le matériau est peu coûteux et fait un travail efficace.

Si le fourneau est mis en banque pour une période prolongée, après un laps de temps d'un mois à six semaines, le débit d'eau doit être réduit sur les éléments de refroidissement et finalement, après deux à trois mois, coupé entièrement, sauf pour les lames de la gueularde.

Très souvent après une mise en banque de six semaines ou plus, lorsque les tuyères sont ouvertes, tous les signes de feu dans la zone des tuyères ont disparu. Dans ce cas, les opérateurs du haut fourneau sont satisfaits car le plein bénéfice du blanc de coke est alors disponible pour fournir de la chaleur lorsque l'exploitation commence.

Soufflage à vide (Blowing out)

Le soufflage à vide est aussi parfois appelé ratissage (raking out). Le haut fourneau est normalement soufflé à vide lorsque la production du haut fourneau n'est plus requise. Un fourneau soufflé à vide peut être redémarré plus rapidement et avec moins d'effort qu'en partant d'un fourneau mis en banque, car les conditions approchent celles du démarrage d'un nouveau fourneau. Cependant, les coûts liés au soufflage à vide, au ratissage et au nettoyage préparatoire au démarrage sont susceptibles de dépasser le coût de la mise en banque du haut fourneau.

Lorsqu'un fourneau a atteint la fin de sa campagne (c'est-à-dire que le revêtement est usé), il est généralement soufflé à vide. Cependant, de nos jours, la pratique suivie est de souffler à vide le haut fourneau (blowing down).

Pour le soufflage à vide, l'exploitation est interrompue pendant une courte période d'environ 12 à 16 heures avant la dernière coulée du haut fourneau pour permettre l'installation de pulvérisateurs d'eau au sommet du fourneau et de thermocouples dans les montées (uptakes). La composition de la charge est alors normalement changée pour produire une scorie très siliceuse. Cela aide à éliminer autant de chaux que possible du bosh et des parois de la gueularde. Le but est d'empêcher la formation d'hydroxyde de calcium qui se produirait si la chaux entrait en contact avec l'eau de refroidissement pendant les derniers stades du soufflage à vide. La formation d'hydroxyde de calcium à partir de chaux incrustée dans le revêtement peut générer une force suffisante pour fissurer la coque en acier de la gueularde ou soulever le fourneau de ses colonnes.

Après l'installation de l'équipement de soufflage à vide, le vent est mis et le chargement continue. L'activité de soufflage à vide commence par le chargement d'un blanc de coke lourd dans le haut fourneau. Le volume doit être équivalent à approximativement le volume du bosh. Après que le blanc de coke a été chargé, du quartzite lavé et criblé de taille 25 mm à 50 mm est chargé. Le haut fourneau est maintenu plein au début du soufflage à vide, puis la ligne de charge est autorisée à dériver vers le bas d'environ 6 à 9 m vers la fin (lorsque toute la charge ferreuse a été réduite). Pendant le soufflage à vide, l'eau des pulvérisateurs est utilisée judicieusement pour contrôler la température du sommet du haut fourneau. Cependant, les charges supplémentaires de quartzite sont très efficaces pour maintenir la température du sommet basse. Une diminution du débit d'air chaud est nécessaire au fur et à mesure que la hauteur de la colonne de matériau de charge dans le haut fourneau diminue. Depuis le moment où le blanc de coke lourd est chargé dans le haut fourneau jusqu'à la fin du soufflage à vide, il ne faut qu'environ 6 à 8 heures.

La méthode de soufflage à vide au coke est similaire à celle ci-dessus, sauf que du coke est utilisé au lieu de quartzite. Parfois, des criblures de coke de 20 mm à 25 mm sont utilisées.

Après la dernière coulée, le stock est arrosé comme décrit ci-dessus. Lorsque le refroidissement a suffisamment progressé, des rigoles sont fréquemment construites à partir de quelques ouvertures de refroidisseurs jusqu'à un wagon de chemin de fer à toit ouvert et le contenu du fourneau est lavé avec des jets d'eau à haute pression.

Soufflage à vide progressif (Blowing down)

Vers les années 1970, on s'est rendu compte que les procédures de mise en banque et de soufflage à vide du haut fourneau sont des procédures coûteuses. De plus, la mise en banque entraîne souvent des redémarrages difficiles en raison de problèmes d'eau ou de nombreuses raisons imprévues. De plus, les opérateurs de hauts fourneaux ont maintenant une compréhension technique suffisante du processus pour permettre aux opérateurs de souffler le fourneau à vide. Souffler à vide un haut fourneau (blowing down) signifie faire fonctionner le haut fourneau sans chargement jusqu'à ce que le niveau de charge dans le haut fourneau soit réduit à approximativement le niveau des tuyères. Il y a plusieurs raisons pour la préférence de la technique de soufflage à vide progressif par rapport à la mise en banque ou au soufflage à vide d'un haut fourneau. Certaines sont : lorsqu'un fourneau est soufflé à vide, il peut être inspecté minutieusement pour détecter les fuites de refroidisseurs ou de lames, et aucun effort n'est requis pour arrêter l'infiltration d'air car le fourneau est vide. Et, si le fourneau doit être rechargé, il est plus rapide et moins coûteux de démonter un fourneau vide qu'un fourneau contenant de la charge. La technique de soufflage à vide progressif varie d'un haut fourneau à l'autre, mais fondamentalement, la procédure suivante est suivie.

Des pulvérisateurs d'eau atomisés sont installés au sommet du haut fourneau lors d'un arrêt avant le soufflage à vide progressif, quelque part dans les environs du niveau de ligne de charge de 3 m à 5 m. Normalement, quatre à six buses de pulvérisation sont installées à intervalles égaux autour du fourneau. Le but des pulvérisateurs d'eau est de contrôler la température du sommet du haut fourneau. Le débit d'eau généralement nécessaire est d'environ 150 m³ par heure à une pression de 8 atm. Des alimentations d'eau de secours d'urgence sont souvent fournies pour des raisons de sécurité. Selon le type de sommet de haut fourneau et son état, des pulvérisateurs d'eau d'urgence sont parfois installés pour lutter en cas d'incendie de graisse pendant le soufflage à vide progressif.

Des pulvérisateurs de vapeur sont également installés sur un à trois niveaux pour fournir un certain refroidissement et maintenir la pression du fourneau. Si un niveau est utilisé, il est généralement placé bas dans le fourneau, approximativement au niveau de ligne de charge de 12 m à 15 m. Si des niveaux supplémentaires sont utilisés, ils sont placés approximativement à égale distance entre les pulvérisateurs d'eau du sommet et les pulvérisateurs de vapeur du bas. Les injecteurs de vapeur sont activés une fois que la charge descend en dessous d'eux. Dans certains endroits, il y a également une disposition pour fournir de l'azote aux pulvérisateurs de vapeur comme secours en cas de perte de pression de vapeur.

L'injection d'azote est fournie pour purger le haut fourneau à la fin du soufflage à vide progressif. Généralement, l'azote est introduit à travers le tuyère de distribution. Si l'azote est utilisé comme secours pour le système d'injection de vapeur, ce système peut également être utilisé pour purger le haut fourneau lorsque le soufflage à vide progressif est terminé. Les niveaux de débit et de pression d'azote souhaités sont d'environ 150 m³ par minute à 3,5 kg/cm².

Une disposition doit être faite pour l'analyse du gaz de processus. Normalement, cela nécessite simplement le recalibrage de l'analyseur de gaz de gueularde. L'analyse de l'hydrogène et de l'oxygène est nécessaire. Le niveau d'hydrogène doit être maintenu bas (en dessous de 15 %) et il ne doit y avoir aucun oxygène. Il y a aussi une exigence de mesure de la ligne de charge et la sonde doit être capable de s'étendre bien dans le fourneau.

Le débit d'air chaud et sa température sont réduits au fur et à mesure que la charge descend pour contrôler la température du sommet du haut fourneau. De plus, la teneur en hydrogène et en oxygène du gaz de gueularde doit être contrôlée. Typiquement, la température maximale du sommet doit être dans la plage de 300 °C à 450 °C.

Vidange de la salamandre (Salamander tapping)

Après le soufflage à vide progressif, en particulier lorsque le haut fourneau doit être complètement rechargé (y compris le remplacement du revêtement de la gueularde), la salamandre est généralement vidée. Cette opération permet d'économiser des jours, voire des semaines, dans le temps de rechargement qui sinon pourrait être perdu à faire exploser le gros morceau de fer solide qui se forme si le métal liquide (qui s'accumule dans la gueularde à mesure que le bloc de fond s'érode pendant la campagne) est autorisé à se solidifier. Il est préférable de vidanger autant de fer liquide que possible, car l'élimination d'une salamandre solidifiée coûte de nombreux jours, avec des risques supplémentaires d'endommager le haut fourneau, dus à l'utilisation d'explosifs.

La vidange de la salamandre d'un haut fourneau est la dernière coulée pour évacuer le dernier fer liquide de la gueularde du haut fourneau. En raison de sa rareté, une vidange de salamandre représente un travail spécial qui nécessite beaucoup de préparation. La vidange de la salamandre est normalement considérée, dans une large mesure, comme un art. Les calculs de transfert de chaleur basés sur les thermocouples situés sous la gueularde permettent d'estimer la profondeur de pénétration du bain de fer. Cependant, ce point est au mieux une estimation. Par conséquent, l'emplacement du trou foré est quelque peu arbitraire et une partie, généralement petite, de la salamandre reste souvent dans le haut fourneau après la vidange.

Auparavant, il était difficile de trouver le meilleur emplacement possible du trou de pioche de la salamandre en raison d'un manque d'informations sur l'intérieur de la gueularde du haut fourneau et donc sur la position de la ligne d'usure. Sans données de thermocouples ou avec des données insuffisantes, il était difficile de déterminer la position optimale pour forer ou lancer le trou de pioche de la salamandre. L'expérience professionnelle était normalement utilisée pour déterminer l'emplacement et l'angle de forage pour atteindre la salamandre. Plus d'une fois, plusieurs trous devaient être forés et lances avant que la salamandre ne soit atteinte pour commencer la vidange.

Avec les gueulardes de hauts fourneaux modernes étant de plus en plus équipées de grilles denses de thermocouples, le calcul thermique de la position de la ligne d'usure, et donc de la position de la salamandre, est devenu possible. Le densification de la grille de thermocouples améliore la précision du calcul, de sorte que deviner où la salamandre peut être atteinte est maintenant remplacé par savoir où le foret frappe la ligne d'usure et, par conséquent, d'où le métal chaud peut être attendu. Un avantage supplémentaire d'une localisation plus précise est la possibilité d'améliorer l'ingénierie de l'aménagement autour du trou de pioche de la salamandre.

La vidange de la salamandre est faite de préférence au niveau le plus bas où du fer liquide peut être attendu dans la gueularde du haut fourneau. Normalement, le trou de pioche de la salamandre est positionné quelque part près sous le plancher de la coulée et il est généralement dans une zone difficile d'accès, pleine de tuyauteries, câbles, etc. Cette zone difficile d'accès a également des voies d'évacuation insuffisantes ou difficilement accessibles et présente une zone dangereuse pour l'opérateur qui fore ou lance le trou de pioche de la salamandre. Les questions importantes lors de la vidange de la salamandre incluent : (i) localisation du trou de pioche de la salamandre, (ii) aspects environnementaux (de gros nuages bruns sont normalement présents) et (iii) vidange du maximum de fer liquide de la salamandre.

La pioche de la salamandre est toujours organisée pour drainer autant que possible de fer liquide de la gueularde et pour l'utiliser comme charge de métal chaud dans l'aciérie.

Dans le passé, les salamandres étaient vidangées après le soufflage à vide progressif et après que les hauts fourneaux étaient complètement hors vent. En conséquence, la salamandre n'avait que sa propre pression ferrostatique comme force motrice pour sortir du haut fourneau.

Les préparatifs initiaux pour la vidange de la salamandre incluent : (i) forer une distance prédéterminée dans le fond du fourneau sous les lames de la gueularde, et (ii) installer une rigole ou un canal pour le fer. Lorsque tout est prêt, une longue lance à oxygène est insérée dans le trou foré et la maçonnerie restante est brûlée à travers jusqu'au bain de fer. Généralement, le flux de fer est lent et plusieurs heures sont nécessaires pour vider l'accumulation qui peut aller jusqu'à 400 à 600 tonnes.

Ne pas forer le trou de pioche de la salamandre complètement à travers le liquide et lancer la dernière partie, résulte en un diamètre de pioche indéfini et parfois en des coulées lentes. Ces coulées lentes peuvent également être retardées par une diminution de la température du métal chaud de la salamandre, causée par l'effet du système de refroidissement de la gueularde pendant le temps d'attente entre la fin du soufflage à vide progressif et le début de la vidange de la salamandre.

Le métal chaud de la salamandre est généralement dirigé vers les poches de métal chaud (normalement des torpilles) avec des canaux garnis de plaques de barrage. Cela a permis un remplissage contrôlé de jusqu'à trois poches de métal chaud, car il n'y a pas de possibilité de revenir à une position de poche en amont.

Un canal basculant peut également être utilisé pour échanger un nombre illimité de poches de métal chaud, mais son inconvénient est la hauteur supplémentaire requise, abaissant l'angle de forage de la salamandre. L'utilisation du canal basculant nécessite un long canal courbé pour obtenir un flux transversal au centre du canal basculant et le canal basculant doit être actionné.

Un aspect important pour améliorer la vidange de la salamandre est d'éliminer les risques de sécurité, car dans la plupart des cas, le trou de pioche de la salamandre est situé dans une zone difficile d'accès et confinée, avec des issues de secours difficiles, inhérente à leur position directement sous le plancher de la coulée.

Pour vérifier si le fourneau a été complètement vidé de fer liquide, une pioche de salamandre de sécurité secondaire est conçue dans certains endroits avec le fer liquide de la salamandre à collecter dans une fosse ouverte. Ce trou de pioche est ouvert lorsque le flux du trou de pioche principal de la salamandre diminue. Une très petite quantité de fer de salamandre est attendue du second trou de pioche, mais cela aide au drainage complet de la gueularde.