Mise au vent d'un haut fourneau : étapes clés et aperçus techniques

Le processus de mise au vent d'un haut fourneau

Le processus de démarrage d'un haut fourneau après sa construction ou après son rechargement est appelé mise au vent (blowing-in). Le processus de mise au vent est réalisé en plusieurs étapes (Fig. 1) qui consistent en : (i) le séchage du revêtement, (ii) le remplissage du haut fourneau avec une charge de mise au vent spécialement arrangée à haute teneur en coke, (iii) l'allumage du coke ou l'allumage du haut fourneau, et (iv) l'augmentation progressive de l'air chaud (débit de vent) avec des coulées fréquentes pour assurer l'élévation de la température de la gueularde du haut fourneau. Pendant la période de mise au vent, le rapport de charge (rapport minerai/coke) est ajusté selon un calendrier prédéterminé jusqu'à ce que l'exploitation normale du haut fourneau soit atteinte et que le haut fourneau commence à produire la qualité normale de fonte.

Fig. 1 : Étapes du processus de mise au vent d'un haut fourneau

Un haut fourneau nouvellement construit ou rechargé doit être soigneusement séché avant que le coke ne soit allumé. C'est parce que la grande quantité d'eau contenue dans la boue utilisée pour la pose des briques réfractaires et l'eau absorbée par la maçonnerie réfractaire doit être éliminée autant que possible pour éviter un choc thermique extrême. Il existe des données suffisantes montrant que la mise au vent d'un haut fourneau peut causer des dommages au revêtement réfractaire même lorsqu'il a été correctement séché. De plus, si l'eau de ces sources n'est pas éliminée du haut fourneau avant sa mise en exploitation, elle absorbe plus de chaleur que celle fournie pour la charge de mise au vent et empêche ainsi la gueularde d'atteindre la température désirée. Dans de tels cas, la fonte et la scorie liquide entrant dans la gueularde peuvent y geler et dans ce cas, il devient impossible de les éliminer du haut fourneau.

Séchage du haut fourneau

Il existe plusieurs méthodes qui peuvent être utilisées pour sécher un haut fourneau et les réchauffeurs d'air chaud associés au haut fourneau. La méthode normale pour les réchauffeurs d'air chaud, où le carburant gazeux tel que le gaz de cokerie est disponible, consiste à placer un tuyau de gaz dans la chambre de combustion inférieure et à commencer avec une petite flamme et à augmenter l'apport de gaz pendant de nombreux jours jusqu'à ce qu'une petite quantité de gaz de haut fourneau puisse être utilisée, en gardant le carburant gazeux comme flamme pilote. Il est souhaitable d'augmenter la chaleur lentement pendant au moins dix jours à deux semaines dans un nouveau réchauffeur d'air chaud avant de commencer à amener le réchauffeur aux températures d'exploitation.

Les réchauffeurs d'air chaud qui ont eu un service antérieur ont été réchauffés en 36 à 72 heures sans difficulté apparente. Une autre méthode de séchage ou de chauffage dans le passé consistait à utiliser un feu de bois construit au fond de la chambre de combustion. Le feu de bois nécessitait une attention constante jusqu'à ce que les températures des parois soient suffisantes pour assurer une combustion correcte du gaz de haut fourneau.

L'une des méthodes pour le séchage d'un haut fourneau est l'utilisation d'air chaud. C'est une méthode simple et le séchage reste sous contrôle en tout temps. En appliquant cette méthode, le système d'air chaud conventionnel est utilisé, sauf qu'initialement la température de l'air chaud est maintenue autour de 200 °C à 220 °C et le volume d'air chaud est maintenu à un faible niveau. La température est lentement augmentée sur plusieurs jours à légèrement au-dessus de 400 °C et maintenue à ce niveau de température pendant quelques jours de plus. L'opération entière peut être accomplie en une semaine. Dans certains endroits, des coudes et des tuyaux sont installés à l'intérieur de quelques tuyères des hauts fourneaux pour diriger l'air chauffé vers la gueularde du haut fourneau. Il est souhaitable, pendant la dernière partie de la période de séchage, d'utiliser de la vapeur à basse pression dans les lames de refroidissement de la gueularde et les plaques du bosh pour assister le séchage. La vanne d'étanchéité inférieure de l'équipement de chargement supérieur est fermée pendant le séchage, et les évents du fourneau sont ajustés pour retenir autant de chaleur que possible à l'intérieur du haut fourneau. Aucune lecture de pression n'a besoin d'être observée au manomètre de pression de vent pendant le séchage.

Dans les usines avec un seul haut fourneau où le gaz de haut fourneau n'est pas disponible, la méthode décrite ci-dessus doit être modifiée car un carburant auxiliaire, soit du gaz de cokerie, soit du fioul, doit être utilisé pour chauffer les réchauffeurs d'air chaud. Cependant, pour le faible niveau de chaleur requis, cela peut être fait de manière satisfaisante.

Une méthode alternative pour le séchage du haut fourneau est connue sous le nom de méthode du feu de gueularde (hearth fire method). Elle consiste simplement en un feu de bois, de coke ou de charbon construit dans la gueularde du fourneau et contrôlé de manière similaire aux autres méthodes avec les obturateurs de tuyères et les évents. Il est difficile de réguler la température du feu. De plus, un réapprovisionnement fréquent en carburant est requis, ce qui n'est pas seulement difficile mais interrompt également le processus. Si elle est utilisée pour le séchage seulement, cette méthode est aussi simple que décrite ci-dessus, mais elle pourrait être appliquée comme le début d'un processus de mise au vent contrôlé ou lent. Quelques opérateurs de mise au vent affirment qu'un réchauffement amélioré est atteint par cette technique. Après le séchage, un blanc de coke très lourd est chargé, suivi d'une charge de mise au vent régulière. Un faible vent est ensuite maintenu, et les températures de la gueularde et dans les parois sont lentement élevées avant que le volume d'air de vent ne soit augmenté aux taux de mise au vent conventionnels. Dans cette méthode, la mise au vent réelle a lieu après un laps de plusieurs jours. Cependant, théoriquement, cette méthode a l'avantage qu'il y a moins de chance de dommage au revêtement de briques réfractaires par choc thermique et il y a une tendance réduite pour les briques réfractaires à s'écailler (spall). Cependant, la méthode est chronophage et coûteuse. Une durée de campagne supérieure a été obtenue grâce à l'utilisation de méthodes conventionnelles, et aucune preuve à ce jour n'a été remarquée pour indiquer des résultats supérieurs des techniques de mise au vent lent.

Une autre méthode qui est utilisée consiste en une flamme de gaz ouverte à l'intérieur du haut fourneau. Une pratique consiste à installer un tuyau de gaz à travers la pioche et à enflammer le gaz par un petit feu de bois maintenu en permanence. Les ouvertures des tuyères sont équipées d'obturateurs pour réguler l'entrée d'air, et la température du sommet du haut fourneau est régulée de manière similaire à ce qui est fait dans les deux méthodes décrites précédemment. Cette méthode a des dangers évidents et n'est donc plus utilisée. Elle est maintenant considérée comme une méthode obsolète. Cette pratique a été remplacée par l'utilisation de brûleurs insérés à travers les tuyères qui génèrent de l'air chaud à partir de la combustion de carburants gazeux.

Une autre méthode utilisée pour le séchage du haut fourneau est l'utilisation de fours hollandais (dutch ovens). Deux, trois ou plus de fours/ovens sont construits à l'extérieur du haut fourneau et les produits de combustion de ces fours/ovens plus l'air chauffé en excès sont dirigés par des tuyaux dans la pioche et certaines ouvertures de tuyères. Les autres ouvertures de tuyères et de refroidisseurs sont bouchées et le tirage est régulé en ajustant les évents du haut fourneau. Comme dans le séchage par air chaud, la vanne d'étanchéité inférieure de l'équipement de chargement supérieur est maintenue en position fermée. Les fours hollandais sont alimentés au coke, au charbon ou au bois et nécessitent des opérateurs pour l'entretien des feux, le transport du carburant et le nettoyage des cendres. Le contrôle de la température est plus difficile dans ce cas, mais une certaine régulation est maintenue par l'intensité des feux des fours et l'ajustement des évents du fourneau.

Remplissage du haut fourneau

Après l'achèvement de l'opération de séchage, la vanne d'étanchéité inférieure et les évents du haut fourneau sont ouverts. Les manchons sont abaissés et certaines tuyères ainsi que certains refroidisseurs sont retirés, si souhaitable, et le matériel autour de la coulée utilisé dans le processus de séchage est évacué. En un temps relativement court, l'intérieur du haut fourneau refroidit suffisamment pour permettre d'entrer dans la gueularde pour préparer le remplissage. Dans le cas où un feu de gueularde a été utilisé pour le séchage, toutes les cendres et déchets sont nettoyés. Une inspection du système de refroidissement du fourneau est maintenant faite et l'eau est mise en marche. C'est une pratique normale de maintenir une observation constante sur tous les éléments de refroidissement à partir de ce moment. Dans les cas où le revêtement du fourneau n'est pas neuf et que le fourneau est vide, cette inspection offre une bonne opportunité de trouver des éléments de refroidissement qui fuient. Lorsqu'il y a un doute sur une plaque de refroidissement ou qu'il y a un signe d'humidité sur une plaque de refroidissement, alors la plaque de refroidissement doit être remplacée avant que le remplissage du haut fourneau ne commence. De plus, tous les équipements mécaniques, électriques et physiques doivent subir un contrôle approfondi avant le début du remplissage du haut fourneau. Normalement, une liste de contrôle est préparée, et chaque élément de la liste est coché au fur et à mesure que les rapports sont reçus indiquant que l'élément est satisfaisant.

Les travaux sur d'autres préparatifs ont précédé et certains se poursuivent à ce point coïncidant avec le début de l'opération de remplissage du haut fourneau. Des exemples sont le chauffage des poches de métal chaud, le remplissage des silos avec les matières premières dans les silos de la halle de chargement selon le plan préétabli, la préparation des poches à scories (si utilisées) pour le service, l'inspection des lignes de gaz du haut fourneau, et l'ouverture et la fermeture des évents selon les instructions. Les lignes de purge à la vapeur sont vérifiées pour s'assurer que la vapeur est disponible quand nécessaire. Les canaux de fer et de scories dans la coulée doivent également être préparés.

Simultanément, les activités à la centrale électrique pour les soufflantes doivent se dérouler avec la même intensité. Peut-être que les turbines doivent être ouvertes pour inspection et de nombreux travaux de maintenance préventive doivent être effectués. Les chaudières doivent être réchauffées, les turbo-soufflantes doivent être réchauffées et tournées, les mécanismes de déclenchement de vitesse doivent être vérifiés, l'eau doit être mise en marche sur les condenseurs, les pompes doivent être inspectées et mises en service, les programmes d'air de vent doivent être affichés et reconfirmés avec le personnel du haut fourneau, l'usine de traitement de l'eau de chaudière doit être démarrée et le poste de commutation et la sous-station doivent être activés.

Certaines des activités finales avant le démarrage d'un haut fourneau sont l'installation et le séchage des matériaux de revêtement pour les canaux et rigoles de métal chaud, le réglage des écumeurs et des vannes et s'assurer que les canons à boue et les foreuses de pioche sont montés correctement afin qu'ils contactent la pioche (encoche de fer) correctement. Dans certains endroits où le haut fourneau doit être exploité à très haute pression, le haut fourneau est mis sous pression avec de l'air froid avant le démarrage pour déterminer s'il y a des fuites qui doivent être rectifiées avant le chargement.

Il existe de nombreux arrangements différents pour placer la charge de démarrage dans le haut fourneau. Normalement, elle ne consiste qu'en coke et une petite quantité de flux sous le manteau. Au-dessus du manteau, il y a une augmentation progressive de la charge de minerai avec une augmentation progressive du rapport de charge (minerai/coke). Très souvent, des traverses en bois sont placées dans la gueularde aux pioles pour qu'il y ait suffisamment d'espace ouvert pour que le gaz puisse s'échapper. Dans certaines mises au vent, de la scorie de haut fourneau et du calcaire sont chargés avec le coke dans la région du bosh. Le but en est que la scorie fournisse un matériau qui fondra facilement et transportera la chaleur vers le bas dans la gueularde. Le but du calcaire est de se combiner avec les cendres de coke et de former une scorie fusible. Pour augmenter le volume de scorie pendant la période initiale du démarrage, du gravier siliceux est parfois ajouté.

Pendant le remplissage du fourneau avec la charge initiale, le rapport minerai/sinter/coke est augmenté vers le sommet du haut fourneau, le rapport calcaire/coke est diminué et le rapport gravier/coke est légèrement augmenté. En calculant les quantités relatives de coke, de charge minérale et de flux, on anticipe que la teneur en silicium du métal chaud dans les premières coulées contiendra normalement 2,5 % à 4,5 % de silicium. Par conséquent, la quantité de flux basique doit être planifiée en conséquence pour que la scorie ne soit pas trop calcaire (visqueuse). Au fur et à mesure que le haut fourneau commence à fonctionner normalement et que le débit d'air chaud est augmenté, la teneur en silicium du métal chaud diminuera et alors du flux additionnel doit être fourni pour la silice qui reste non réduite dans la scorie.

Allumage (Lighting)

Plusieurs méthodes différentes peuvent être utilisées pour allumer le haut fourneau. Cependant, la méthode la plus couramment utilisée actuellement est l'allumage du coke avec l'air chaud. Dans cette méthode, un volume de vent relativement faible est d'abord utilisé à une température variant entre 550 °C et 650 °C et en l'espace de quelques minutes, le coke présent devant ces tuyères s'enflamme. Pour utiliser cette méthode, il est nécessaire d'avoir les réchauffeurs d'air chaud préchauffés. Dans une usine à haut fourneau unique ou dans une usine à hauts fourneaux multiples où tous les hauts fourneaux sont arrêtés, cela peut présenter un problème. Fréquemment, là où le gaz de haut fourneau n'est pas disponible, d'autres gaz carburants tels que le gaz de cokerie ou le gaz naturel sont utilisés pour préchauffer les réchauffeurs jusqu'à ce que le gaz du haut fourneau puisse être utilisé.

Une autre méthode, utilisée moins fréquemment, consiste à placer du matériel facilement combustible devant les tuyères qui peut être enflammé avec des torches ou des barres rouges chaudes. Le tirage naturel à travers le haut fourneau fournit normalement assez d'air pour élever la température du coke près des tuyères à la température de combustion, et alors un léger flux d'air de vent peut être démarré.

Avant que le haut fourneau ne soit allumé, le système de gaz est isolé du fourneau par une vanne à clapet (goggle valve), normalement située en aval du système de nettoyage du gaz. Le système de nettoyage du gaz est purgé de cette vanne à clapet jusqu'au haut fourneau avec de la vapeur ou un gaz inerte. Pendant les premiers stades de la mise au vent, les évents au sommet du fourneau sont maintenus ouverts et un gaz de purge est maintenu dans le système de nettoyage du gaz jusqu'à la vanne qui sépare le système de nettoyage du gaz du système de gaz principal de l'usine. Les systèmes de nettoyage de gaz peuvent varier d'un haut fourneau à l'autre, et parfois des sections séparées du système de nettoyage de gaz sont isolées les unes des autres et purgées séparément.

Dans de nombreux endroits, il n'y a pas de vanne d'isolation entre le récupérateur de poussière et le haut fourneau et, par conséquent, le récupérateur de poussière est purgé avec de la vapeur qui est évacuée par le descente (downcomer) du haut fourneau et déchargée à travers les évents du haut fourneau. Lorsque le débit d'air chaud au haut fourneau a été suffisamment augmenté pour maintenir un bon flux stable de gaz de haut fourneau, le milieu de purge est coupé et les évents sont fermés. Lorsqu'une pression positive de gaz est obtenue jusqu'à la vanne à clapet d'isolation, elle est ouverte et le gaz est autorisé à s'écouler dans le système de gaz principal. Des précautions significatives pour éviter une explosion doivent être prises tout au long de cette période, et la zone autour du haut fourneau, le système de nettoyage de gaz et les vannes doivent être surveillés pour d'éventuelles fuites de gaz de haut fourneau.

Lorsque le haut fourneau est démarré, le débit d'air chaud n'est qu'une petite fraction de ce qu'il sera en exploitation normale. Par conséquent, il est nécessaire d'ouvrir seulement quelques-unes des tuyères pour que la vitesse à travers chaque tuyère soit suffisante pour emporter l'air chaud bien dans le haut fourneau et pour empêcher les gaz chauds de canaliser le long des parois. Cela est normalement accompli en bouchant les tuyères qui ne sont pas utilisées avec des boules d'argile et en les perçant plus tard au fur et à mesure que le débit d'air chaud est augmenté. Dans certains cas, des bagues (bushings) sont placées à l'intérieur des tuyères pour diminuer le diamètre de l'ouverture pendant les premiers stades de la mise au vent. Ces bagues sont ensuite retirées lorsque des débits d'air chaud plus élevés doivent être utilisés. Au début, le débit d'air chaud est augmenté toutes les quelques heures de sorte qu'à la fin des premières 24 heures, il est d'environ 40 % à 50 % du plein air chaud. Après cela, il est augmenté d'environ 25 % par jour jusqu'à ce que le taux ultime soit atteint.

Lorsque le haut fourneau est démarré, la pioche est généralement laissée ouverte, et une partie du gaz généré par la combustion du coke sort par la pioche. Au début, ce gaz doit être enflammé, mais au fur et à mesure que le débit d'air chaud augmente, il chauffe le coke dans la gueularde et finit par se décharger à une température suffisamment élevée pour rester allumé. La pioche reste généralement ouverte jusqu'à ce que la scorie commence à apparaître. Cela est indiqué par une diminution du volume de gaz et un souffle ou une pulsation à la pioche. Lorsque cela se produit, le canon à boue est mis en position et la pioche est fermée. Toutes les quelques heures après cela, la pioche est rouverte pour éliminer toute scorie qui s'est formée. Sur les plus grands hauts fourneaux avec plus d'une pioche, normalement une pioche différente est ouverte à chaque tentative successive.

Dans environ 24 à 28 heures après le démarrage, la première fonte est attendue à être coulée. Ce métal chaud sera typiquement très riche en silicium en raison du taux d'exploitation lent et du rapport élevé de silice/oxyde de fer dans les matières premières dans la première partie de la charge du haut fourneau. Au fur et à mesure que le débit d'air chaud est augmenté, et que le rapport de charge (minerai/coke) approche le niveau d'exploitation normal, la teneur en silicium du métal chaud diminue. En conséquence, le rapport de flux aux autres matières premières doit être ajusté pour fournir suffisamment d'oxyde basique pour fluxer la silice non réduite qui va à la scorie. Généralement, pendant la période de mise au vent, il est conseillé de maintenir le rapport de charge (minerai/coke) dans une plage qui produit du métal chaud à haute température autour de 1500 °C pour s'assurer qu'un problème imprévu ne résultera pas en un gel. La température de l'air chaud n'est généralement pas élevée à la sortie maximale des réchauffeurs d'air chaud pendant cette période, car il y a un besoin d'avoir une réserve disponible qui permet l'introduction de chaleur supplémentaire dans la gueularde en cas d'urgence.