Comprendre le laitier : son rôle crucial dans la production de fonte au haut fourneau

Le laitier et son rôle dans la sidérurgie au haut fourneau

Le haut fourneau (HF) est le plus ancien (plus de 700 ans) des divers réacteurs utilisés en aciérie. Il produit de la fonte liquide (métal chaud). C'est un réacteur complexe à haute température, à courant inverse, en forme de puits, où les matières ferreuses (minerai, sinter/agglomérés) et le coke sont chargés alternativement par le haut avec les fondants (calcaire, dolomie, etc.) pour créer une charge en couches. L'air préchauffé est soufflé par le bas via les tuyères. Cet air chaud réagit avec le coke pour produire des gaz réducteurs. La charge ferreuse descendante (oxydes de fer) est réduite par les gaz réducteurs ascendants et fondue pour produire le métal chaud. Les gangues et cendres de coke fondent pour former le laitier avec les fondants. Les produits liquides (métal chaud et laitier) sont écoulés (coulés) à intervalles réguliers par la gueuse. La qualité du métal chaud dépend de la formation du laitier et de ses transformations minéralogiques. Un laitier de bonne qualité est nécessaire pour un métal chaud de qualité. Le laitier est un mélange de composés chimiques à bas point de fusion formés par la réaction chimique des gangues de la charge ferreuse et des cendres de coke avec les fondants. Tous les composés non réduits (silicates, aluminosilicates, alumino-silicate de calcium, etc.) rejoignent également le laitier.

On sait que la silice (SiO₂) et l'alumine (Al₂O₃) augmentent la viscosité, tandis que l'oxyde de calcium (CaO) la diminue. La zone de fusion du laitier détermine la zone cohésive du haut fourneau ; la fluidité et les caractéristiques de fusion du laitier jouent donc un rôle majeur dans la productivité du fourneau. Initialement, un laitier riche en fer se forme, puis sa composition évolue par assimilation de CaO et MgO des fondants. En descendant, le laitier assimile le SiO₂ et l'Al₂O₃ des cendres issues de la combustion du coke. Le processus d'écoulement dépend de la fluidité (faible viscosité) du laitier, régie par sa composition et sa température.

Propriétés et exigences du laitier

Le laitier doit avoir l'affinité pour absorber les impuretés, notamment les gangues de la charge et autres éléments nuisibles affectant la qualité du métal chaud. Il est essentiel de connaître le comportement du laitier : composition chimique, constitution minéralogique, capacité à réagir et piéger les impuretés mineures. Le laitier doit être fluide à la température d'exploitation avec une bonne séparation laitier-métal sans emprisonner de métal. Ainsi, les propriétés du produit final sont directement influencées par la composition du laitier. Les propriétés physico-chimiques du laitier jouent donc un rôle important dans le fonctionnement du haut fourneau.

Le laitier final du haut fourneau, produit lors de la fabrication du métal chaud, est principalement un mélange de quatre oxydes : (i) SiO₂, (ii) Al₂O₃, (iii) CaO, (iv) MgO. Les composants mineurs incluent : (i) oxyde ferreux (FeO), (ii) oxyde de manganèse (MnO), dioxyde de titane (TiO₂), alcalins (K₂O, Na₂O), composés soufrés. Quatre types de laitiers aux compositions distinctes sont produits à différentes zones du fourneau (Fig. 1) : (i) laitier primaire, (ii) laitier de culée, (iii) laitier de tuyère, (iv) laitier final. Ils sont générés respectivement dans : (i) zone cohésive, (ii) zone de goutte, (iii) zone de combustion (raceway), (iv) creuset. C'est le laitier final qui est coulé ; pour un bon écoulement, il doit avoir une fluidité adéquate (température de liquidus basse et faible viscosité).

Fig. 1 Types de laitiers HF et zones de leur génération

Pour un fonctionnement fluide du haut fourneau, le laitier doit satisfaire aux conditions suivantes :

• Volume de laitier aussi faible que possible.
• Capacité d'élimination des alcalins.
• Respect des exigences de désulfuration.
• Composition du laitier primaire uniforme.
• Formation du laitier confinée à une hauteur limitée du fourneau, avec stabilité du laitier.
• Bonne perméabilité dans la zone de formation du laitier.
• Point de fusion ni trop haut ni trop bas.
• Laitier final assez fluide pour être écoulé par la gueuse.

Les couches de charge ferreuse commencent à s'amollir et fondre dans la zone cohésive sous l'influence des fondants à la température régnante, ce qui réduit fortement la perméabilité des couches régulant l'écoulement des matériaux (gaz/solides) dans le fourneau. C'est la zone bornée par l'amollissement des matériaux ferreux en haut et leur fonte et écoulement en bas. Une température d'amollissement élevée couplée à une température d'écoulement relativement basse formerait une zone cohésive étroite plus bas dans le fourneau, diminuant la distance parcourue par le liquide et donc la reprise de silicium. D'autre part, le laitier final qui ruisselle dans la culée vers le creuset doit être un « laitier court » qui commence à couler dès qu'il s'amollit. Le comportement de fusion est donc un paramètre important pour évaluer l'efficacité du laitier de HF.

La fluidité du laitier affecte : le comportement amollissement-fusion dans la zone cohésive, la perméabilité dans la partie basse du fourneau due à la rétention liquide dans la zone de goutte, l'écoulement liquide dans le creuset, la capacité d'écoulement par la gueuse, et la capacité de désulfuration. La fluidité est affectée par la température et la composition, cette dernière influencée par les minéraux de gangue du minerai et les cendres du coke et charbon pulvérisé.

Les laitiers de haut fourneau appartiennent principalement à trois systèmes : (i) système ternaire CaO–Al₂O₃–SiO₂, (ii) système quaternaire CaO–Al₂O₃–SiO₂–MgO, (iii) système quinaire CaO–Al₂O₃–SiO₂–MgO–TiO₂. Généralement, la région d'exploitation majeure pour une bonne fluidité dans le système quinaire (SiO₂-Al₂O₃-CaO-MgO-TiO₂) est la phase mélilite (solutions solides d'akermanite, Ca₂MgSi₂O₇, et gehlenite, Ca₂Al₂SiO₇).

La composition du laitier de HF a une incidence majeure sur ses caractéristiques physico-chimiques, affectant le degré de désulfuration, la régularité du fonctionnement, la manutention du laitier, la consommation de coke, la perméabilité au gaz, les transferts thermiques, la productivité et la qualité du métal chaud. Les propriétés du laitier les plus influentes sont : viscosité, capacité sulfure, capacité alcaline et température de liquidus. Ces propriétés influencent grandement l'ensemble du processus HF. La viscosité est fortement influencée par la composition chimique, la structure et la température.

Viscosité du laitier

La viscosité du laitier est une propriété de transport liée à la cinétique de réaction et au degré de réduction du laitier final. Elle détermine l'efficacité de la séparation laitier-métal, et par conséquent le rendement métallique et la capacité d'élimination des impuretés. En exploitation, la viscosité indique la facilité d'écoulement du laitier, et donc les besoins énergétiques et la rentabilité.

Si les commandes du fourneau peuvent prédire la viscosité et la température de liquidus, elles peuvent optimiser l'analyse et la prise de décision pendant l'exploitation, remplaçant les règles empiriques sur les compositions. De nombreux efforts ont été faits pour mesurer et modéliser les viscosités de différents systèmes de laitiers.

Le laitier liquide peut être classé comme fluide newtonien, la viscosité de cisaillement étant indépendante du taux de cisaillement, d'où le nom de viscosité dynamique. La viscosité est largement influencée par les liaisons et le degré de polymérisation : SiO₂ et Al₂O₃ contribuent à des viscosités plus élevées par leurs liaisons covalentes fortes. En revanche, les monoxydes comme CaO et MgO ont un comportement ionique, brisant les chaînes de silicate et abaissant la viscosité. Ceci est vrai uniquement pour le système laitier liquide monophasé ; dans un système multiphasé, l'augmentation des monoxydes conduit à des activités plus élevées des phases solides et à une possible précipitation de solides, augmentant la viscosité effective (observée).

Dans une exploitation typique où la composition du laitier peut être modifiée, les changements ont souvent des effets opposés. Par exemple, l'obtention d'une viscosité plus faible à basicités plus élevées s'accompagnera probablement de l'effet défavorable d'une température de liquidus accrue. Outre les effets sur les propriétés physico-chimiques, la basicité du laitier influence aussi la capacité d'élimination du soufre (et dans une certaine mesure du phosphore) et la teneur en silicium du métal chaud. Des basicités plus élevées mènent à des teneurs en soufre plus élevées dans le laitier et des teneurs en silicium plus basses dans le métal.

Les laitiers à faible Al₂O₃ ont généralement une viscosité faible, une capacité sulfure élevée, une température de liquidus basse et un volume de laitier inférieur aux laitiers à haute Al₂O₃ (Al₂O₃ normalement > 15 %). Les laitiers à haute Al₂O₃ sont rencontrés principalement dans les hauts fourneaux indiens en raison du rapport Al₂O₃/SiO₂ élevé dans le minerai, le sinter et la teneur élevée en cendres du coke. Ces laitiers ont des viscosités élevées.

Modélisation de la viscosité

La viscosité du laitier liquide est déterminée principalement par sa température et sa composition chimique. La dépendance en température sur une plage donnée est généralement décrite par l'équation d'Arrhenius :

η = A exp (E/RT)

Où : η = viscosité du laitier, A = terme pré-exponentiel, E = énergie d'activation de l'écoulement visqueux, R = constante des gaz, T = température absolue.

Les laitiers silicatés sont constitués de cations Si⁴⁺ entourés de 4 anions oxygène en tétraèdre régulier. Ces tétraèdres SiO₄⁴⁻ sont liés en chaînes ou cycles par des oxygènes ponts. L'écoulement visqueux dépend de la mobilité des espèces ioniques, qui dépend de la nature de la liaison chimique et de la configuration ionique. Les forces inter-ioniques dépendent des tailles et charges des ions. Des forces plus fortes augmentent la viscosité. Pour les fontes silicatées à haute teneur en silice, les anions polymères causent une viscosité élevée. L'augmentation de la concentration en oxydes métalliques brise progressivement les liaisons Si-O, réduit la taille du réseau et abaisse la viscosité. L'ajout d'oxydes alcalins jusqu'à 10-20 % mol entraîne une chute drastique des viscosités par dépolymérisation.

Dans les laitiers de HF, l'alumine est toujours présente et les groupes AlO₄⁵⁻ forment des unités polymères avec SiO₄⁴⁻. Dans les laitiers CaO-MgO-SiO₂-Al₂O₃, l'alumine augmente la viscosité comme la silice. À l'inverse, la chaux et la magnésie, fournisseurs d'oxygène, ont l'effet inverse.

La viscosité dépend de la composition et de la température. Une faible viscosité favorise les vitesses de réaction par son effet sur le transport d'ions dans le laitier liquide vers et depuis l'interface de réaction laitier/métal. Elle assure aussi un fonctionnement fluide du HF. L'augmentation des oxydes basiques et de la température au-dessus de la température de liquidus diminuent la viscosité. Dans le système CaO-MgO-SiO₂-Al₂O₃, l'alumine et la silice ne sont pas équivalentes sur base molaire dans leur effet, bien que toutes deux augmentent la viscosité. L'effet de l'alumine dépend de la teneur en chaux du laitier, car Al³⁺ ne peut remplacer Si⁴⁺ dans le réseau silicate que s'il est associé à ½ Ca²⁺ pour préserver la neutralité électrique.

Comportement de fusion

Le comportement de fusion est décrit par quatre températures caractéristiques : (i) température de déformation initiale (IDT) signalant la collabilité de surface, importante pour le mouvement des matériaux à l'état solide ; (ii) température de l'état solide (ST) signalant la distorsion plastique, indiquant le début de la distorsion plastique ; (iii) température hémisphérique (HT), aussi température de fusion ou liquidus, signalant l'écoulement lent, jouant un rôle significatif dans l'aérodynamique du fourneau et les transferts thermiques et de masse ; (iv) température d'écoulement (FT) signalant la mobilité liquide.

Le laitier formé dans la zone cohésive est le laitier primaire, formé avec FeO comme principal fondant. La température de solidus, de fusion, l'intervalle solidus-fusion sont significativement affectés par le FeO. Ce laitier est complètement différent du laitier final où le fluxage est principalement dû aux constituants basiques comme CaO ou MgO. S'il n'est pas possible d'obtenir du laitier primaire du HF, on peut toujours préparer en laboratoire un laitier synthétique ressemblant au laitier primaire et étudier ses caractéristiques d'écoulement. Le laitier final a un faible écart entre ST et FT. Il acquiert la mobilité liquide et ruisselle dans le fourneau loin du site où il commence à se distordre plastiquement, le plus tôt possible. Cette action expose de nouveaux sites pour de nouvelles réactions, supposément responsable de taux de réaction laitier-métal accrus, influençant les opérations du HF et la qualité du métal.

Les caractéristiques d'écoulement des laitiers de HF sont fortement influencées par l'étendue de la réduction de l'oxyde de fer à basse température (zone granulaire), outre la composition, la qualité et la quantité des gangues. Le rapport CaO/SiO₂ et la teneur en MgO influencent grandement les propriétés d'amollissement-fusion. La disponibilité tardive du MgO entraîne souvent une plage de température étroite de la zone cohésive, améliorant la perméabilité du lit, ce qui influence la consommation de coke et la qualité du métal chaud.

Effets de l'alumine élevée

L'augmentation d'Al₂O₃ dans le minerai n'affecte pas seulement la résistance du sinter, mais aussi ses caractéristiques à haute température dans la zone cohésive. La concentration d'Al₂O₃ dans le laitier est considérée comme un facteur dégradant la fluidité et augmentant la température de liquidus. Les effets d'une haute alumine :

• Viscosité élevée pour une basicité constante (CaO/SiO₂). Cependant, l'augmentation des oxydes basiques et de la température au-dessus du liquidus diminue quelque peu la viscosité.
• Tendance accrue à la réduction du silicium et augmentation du silicium dans le métal chaud.
• Teneur en soufre du métal chaud qui tend à augmenter avec l'alumine du laitier : désulfuration moins efficace.
• Perte de charge dans la zone de goutte qui augmente avec la concentration d'Al₂O₃. Même si le rapport CaO/SiO₂ augmente, la perte de charge augmente.

L'effet néfaste de l'alumine élevée est compensé par l'augmentation de la teneur en MgO. La concentration d'alumine est semi-empiriquement limitée à environ 16 % dans de nombreux pays pour éviter l'accumulation de laitier ferreux et la détérioration de la perméabilité dans la partie basse du HF.