Comprendre les tuyères et les manchons de tuyère des hauts fourneaux : conception, fonction et performance

Tuyères et manchons de tuyère des hauts fourneaux

Le haut fourneau (HF) a pour objectif d'extraire la fonte (fer liquide) du minerai de fer en morceaux, du sinter et/ou des granulés, du coke et du combustible injecté. Cet objectif est atteint en faisant passer un flux d'air chaud enrichi (air chaud de soufflage) à travers la charge de minerai et de coke qui descend dans la colonne interne du HF. L'air chaud de soufflage et le combustible auxiliaire sont injectés dans le haut fourneau par des tuyères situées autour du périmètre du HF.

La zone supérieure de la paroi du creuset du haut fourneau contient les ouvertures pour les tuyères qui sont utilisées pour introduire l'air chaud de soufflage dans le fourneau. La chemise du fourneau dans la zone des tuyères contient des ouvertures renforcées en acier dans lesquelles des éléments refroidis en cuivre (Cu) sont installés, comme illustré à la Fig 1. Les renforcements en acier dans la chemise sont appelés porteurs de refroidisseurs de tuyère. Le grand refroidisseur en Cu qui est installé dans la surface interne usinée du porteur de refroidisseur est appelé le refroidisseur de tuyère. Le refroidisseur en Cu qui introduit effectivement l'air chaud de soufflage dans le fourneau est appelé la tuyère. Il est installé dans une surface de siège usinée sur le refroidisseur de tuyère. Le tuyau de soufflage fait partie de la tuyauterie de distribution d'air du manchon de tuyère, qui délivre l'air chaud de soufflage depuis le tuyau de répartition (bustle pipe) et qui s'accouple avec la tuyère pour diriger l'air chaud de soufflage dans le fourneau. Les parois de poitrine des tuyères sont généralement faites de briques de carbone et le refroidissement est généralement externe avec des canaux de refroidissement gainés à l'extérieur de la coque. Certains fours ont des échelles internes dans la poitrine de tuyère entre les refroidisseurs de tuyère comme conception de refroidissement pour la poitrine de tuyère. La Fig 1 montre également l'agencement du porteur de refroidisseur de tuyère, qui s'insère dans l'ouverture de la coque en acier, du refroidisseur de tuyère qui s'insère dans le porteur et de la tuyère qui s'insère à l'intérieur du refroidisseur. Les surfaces où la tuyère et le refroidisseur se contactent sont usinées pour donner un ajustement étanche à l'air.

Fig 1 Assemblage tuyère et tuyau de soufflage du haut fourneau

Dans la zone des tuyères, l'air chaud de soufflage pénètre à travers les tuyères dans le coke, créant des zones de combustion physiques appelées raceways (cavités de combustion). Le raceway de la tuyère est une sorte de cavité entre le nez de la tuyère (bout du tuyau de soufflage) et le mort au fond du HF, avec une forme rappelant une poire courbée vers le haut. L'air chaud souffle dans le HF à travers le tuyau de soufflage. Le flux de gaz forme une cavité. La longueur de la cavité est la profondeur du raceway. La profondeur du raceway détermine la taille et la forme du mort du HF. Elle impacte donc le flux de gaz et l'échange de chaleur. Dans le raceway, le carbone (C) du coke et du combustible injecté réagit avec l'oxygène (O₂) en plusieurs étapes, résultant en un gaz de gueulard composé de CO, H₂, N₂ et de quantités mineures de SiO, H₂S, COS, Ar, etc. La chaleur physique de l'air chaud de soufflage et l'oxydation du C sont les principales sources de chaleur dans le procédé du haut fourneau.

L'air chaud de soufflage pour le procédé HF est fourni par les soufflantes. Elles soufflent l'air atmosphérique dans les chaufferettes, et dans ce processus, la température est élevée jusqu'à environ 200 °C. Lorsque cet air froid passe à travers les chaufferettes, l'air froid se réchauffe et la température monte à environ 1200 °C à 1250 °C. Le système de soufflage d'air chaud est constitué de 3 à 4 chaufferettes travaillant en parallèle ou en combinaison. Les chaufferettes fournissent l'air chaud de soufflage au tuyau de répartition (bustle pipe) qui est le grand tuyau circulaire de diamètre qui entoure le haut fourneau au-dessus du niveau du manteau. Le tuyau de répartition est revêtu intérieurement de réfractaire pour isoler et protéger la coque en acier externe de l'air à haute température à l'intérieur. Le tuyau de répartition a pour but de distribuer l'air chaud de soufflage des chaufferettes dans le bas du haut fourneau à travers un certain nombre de buses appelées tuyères HF. Les principaux équipements de cet ensemble sont les tubes droits, les tuyaux de soufflage, les refroidisseurs de tuyères et les tuyères elles-mêmes. Les tuyères et les manchons de tuyère sont des composants intégraux du système d'air chaud de soufflage du haut fourneau.

Manchons de tuyère

Les manchons de tuyère connectent le tuyau de répartition aux tuyères. Le but des manchons de tuyère est de fournir de l'air chaud de soufflage dans le haut fourneau. Les manchons de tuyère sont normalement fabriqués à partir de tôle d'acier de qualité chaudière/alliée et sont revêtus de matériau réfractaire, généralement un béton réfractaire. Chaque manchon de tuyère est l'assemblage de col de cygne, soufflet d'expansion, tube de raccordement, coude, regard, tuyau de soufflage, dispositif de fixation et dispositif de tension. Les manchons de tuyère s'adaptent aux mouvements relatifs entre le système de distribution d'air chaud de soufflage et le haut fourneau. Tous les composants du manchon de tuyère sont généralement connectés par brides. Le tuyau de soufflage, qui connecte le système d'air chaud à la tuyère, s'insère normalement dans un siège sphérique usiné à la base de la tuyère.

Les principaux composants du manchon de tuyère sont étroitement connectés avec les surfaces coniques polies au moyen de l'arrangement serré consécutif de la partie suivante dans la précédente. Ainsi, les surfaces coniques à ajustement serré assurent l'intégrité étanche du joint. Une perturbation du cycle de chauffage d'exploitation ainsi que toute fuite de l'un des joints du manchon de tuyère entraînent la combustion des éléments de construction et des défaillances.

Chaque manchon de tuyère a normalement un arrangement à double soufflet dans les fours modernes, et chaque unité de soufflet s'articule d'environ +/- 3 degrés. Le nez sphérique sur le tuyau de soufflage permet un mouvement relatif entre le tuyau de soufflage et la tuyère. Les tuyaux de soufflage sont généralement adaptés à l'utilisation avec différents types d'injection de combustible.

Les manchons de tuyère sont normalement conçus pour une longue durée de vie. Ils s'adaptent aux mouvements relatifs entre le système de distribution d'air chaud et le fourneau. Ils sont conçus pour une longue durée de vie et une manipulation aisée.

Les manchons de tuyère sont généralement conçus pour minimiser les joints et les coudes afin d'améliorer la durée de vie du revêtement réfractaire et de minimiser la perte de charge. L'utilisation d'un système de jointage horizontal, connecté au moyen de coins coniques à libération rapide, facilite le retrait rapide et facile du tuyau de soufflage et du coude. Les manchons de tuyère sont également conçus pour avoir des caractéristiques telles que : (i) un ajustement pour les déplacements potentiels des conduits d'anneau de refroidissement et des tuyères avec leurs joints cardaniques, et (ii) un ajustement selon les paramètres changeants de l'air chaud de soufflage.

Les caractéristiques spéciales des manchons de tuyère incluent normalement : (i) joint réfractaire sphérique, (ii) unité de soufflet avec roulement sphérique, (iii) raccordement de lance d'injection de combustible, (iv) coude avec regard, (v) unité de soufflet attachée par barres de liaison avec roulements sphériques, (vi) bride horizontale sur le coude pour changement rapide avec coins, (vii) butées physiques pour limiter le mouvement à +/- 3 degrés, et (viii) jambe descendante avec joint réfractaire sphérique pour permettre un mouvement maximal.

Dans certains hauts fourneaux, le nez du tuyau de soufflage est refroidi à l'eau, bien que dans la plupart des fours ce ne soit pas le cas. La lance d'injection de combustible traverse la paroi du tuyau de soufflage et décharge généralement le combustible légèrement hors de l'axe central et à environ 50 mm en arrière du nez du tuyau de soufflage. Certains hauts fourneaux sont équipés de systèmes d'injection doubles qui ont deux ouvertures dans le tuyau de soufflage pour faciliter plusieurs combustibles de tuyère. Dans le cas du charbon pulvérisé comme combustible de tuyère, le positionnement de la lance d'injection est plus critique pour éviter l'impact sur l'intérieur de la tuyère et pour une meilleure combustion du charbon.

Le tuyau de soufflage est maintenu fermement contre la tuyère par la tension dans la tige de bride, qui connecte le manchon de tuyère à la chemise du creuset. Le ressort de bride au bout de la tige de bride permet un mouvement limité lorsque le tuyau de soufflage se dilate et se contracte avec les changements de température de l'air chaud de soufflage. Le tuyau de soufflage est de forme tubulaire et est revêtu de matériau réfractaire pour empêcher sa surface de devenir trop chaude.

Le tuyau de soufflage est un composant intégral du système d'air chaud de soufflage d'un haut fourneau. Positionné entre la jambe descendante du tuyau de répartition et la tuyère, le tuyau de soufflage est généralement un composant en deux parties, consistant en un coude et une section conique, et est typiquement construit avec une coque externe en acier revêtue d'un système réfractaire à deux composants. Idéalement, un tuyau de soufflage est conçu pour résister au passage d'un souffle enrichi en O₂ pendant de longues périodes à des températures et pressions dépassant respectivement 1150 °C et 3,5 kg/cm². L'environnement d'exploitation et l'emplacement intensifient également la tragédie d'une défaillance du tuyau de soufflage car les défaillances de tuyau de soufflage sont fréquemment catastrophiques. Les conséquences de défaillances soudaines et non contrôlées du tuyau de soufflage incluent des risques de sécurité accrus, des dommages aux actifs et des pertes de production.

À l'arrière du manchon de tuyère sur l'axe central du tuyau de soufflage et de la tuyère se trouve une petite ouverture par laquelle une tige peut être insérée pour nettoyer le matériel hors du tuyau de soufflage. L'ouverture est fermée par un capuchon qui peut être ouvert lorsque nécessaire mais est étanche au gaz lorsqu'il est fermé. Dans ce capuchon, appelé capuchon de tuyère ou guichet, il y a un regard vitré qui permet à l'opérateur d'inspecter l'intérieur du fourneau directement devant la tuyère. La partie supérieure du manchon est connectée par un joint pivotant à la buse revêtue de réfractaire du col de cygne auquel il est serré par des ergots et des clés qui s'insèrent dans les sièges des barres de suspension. Chaque col de cygne est à son tour connecté par des brides et des boulons à un col s'étendant radialement depuis le diamètre intérieur du tuyau de répartition. Le tuyau de répartition est un grand tuyau circulaire, revêtu de réfractaire et isolé, qui entoure le fourneau au-dessus du niveau du manteau et distribue l'air chaud chauffé depuis la conduite principale d'air chaud vers chaque connexion de tuyère. L'agencement général du tuyau de répartition, des manchons de tuyère et du tuyau de soufflage est montré à la Fig 2.

Fig 2 Agencement général du tuyau de répartition, des manchons de tuyère et du tuyau de soufflage

Tuyères et refroidisseurs de tuyère

Les tuyères sont de petits tuyaux qui permettent à l'air chaud du tuyau de répartition d'entrer dans le haut fourneau. Ce sont des buses de forme spéciale à travers lesquelles l'air chaud de soufflage est injecté dans le haut fourneau. Elles sont faites de cuivre et sont généralement refroidies à l'eau car elles sont directement exposées à la température du fourneau. Elles sont situées tout autour du haut fourneau. Il y a quatre types de tuyères utilisés dans les hauts fourneaux. Ce sont : (i) tuyères à chambre simple, (ii) tuyères à double chambre, (iii) tuyères à chambres multiples, et (iv) tuyères à chambre spirale. Les tuyères à double chambre sont les tuyères les plus largement utilisées.

La tuyère, le refroidisseur de tuyère et le tuyau de soufflage fonctionnent dans les conditions de température les plus lourdes. Le refroidisseur de tuyère est placé dans la poitrine du revêtement du fourneau. La buse est accouplée avec la tuyère qui est déjà à 250 mm à 350 mm de profondeur à l'intérieur du corps du haut fourneau.

Les premières tuyères ont été utilisées en 1740 dans le haut fourneau de l'usine Nevyanskiy. L'utilisation des tuyères dans la pratique du haut fourneau a gagné une acceptation généralisée au début du XXe siècle. Depuis lors, la conception de la tuyère a été légèrement modifiée, bien que sa technique de fabrication se soit constamment améliorée.

Les tuyères sont faites de cuivre. Auparavant, les tuyères d'art antérieur étaient faites de tôles de cuivre pressées, d'épaisseur de paroi jusqu'à 8 mm. De nos jours, les tuyères de haut fourneau sont généralement faites de cuivre coulé par centrifugation, ce qui assure une durée de vie d'exploitation maximale de la tuyère grâce à la haute fabricabilité qui fournit l'homogénéité du matériau la plus élevée et l'absence de micropores. Cependant, cette méthode est un peu plus chère que la fabrication des tuyères par coulée sous vide. Cette dernière est aussi parfois appliquée dans la production des tuyères et a un coût de conversion plus faible, mais il y a une possibilité de légère non-homogénéité du matériau. De toute façon, la méthode de coulée de production des tuyères a presque supplanté l'application de la construction soudée des tuyères en raison de sa capacité d'exploitation inférieure malgré le coût de production plus faible qui est également associé à la coulée du refroidisseur de tuyère creux en cuivre. Le refroidisseur de tuyère est également fabriqué par coulée et est fait de cuivre (moins souvent de bronze). Il est monté dans la poitrine du revêtement du fourneau et fixé par la bride avec un soudage additionnel à la chemise du creuset.

Le refroidisseur de tuyère et la tuyère sont refroidis à l'eau. Sur les hauts fourneaux modernes utilisant des températures d'air chaud de soufflage autour de 1200 °C, les passages d'eau du corps de la tuyère sont conçus pour maintenir la vitesse de l'eau au-dessus de 20 m/s. Et les passages d'eau du nez de la tuyère sont conçus pour maintenir la vitesse de l'eau au-dessus de 28 m/s pour améliorer le taux de transfert de chaleur. La Fig 3 montre la tuyère et le refroidisseur de tuyère.

Fig 3 Tuyère et refroidisseur de tuyère

La tuyère de haut fourneau est refroidie par l'eau fournie à un débit de 15 à 25 m³/heure directement sur la face interne de la tuyère. La température de chauffage de l'eau de refroidissement déchargée ne doit pas dépasser 15 °C. La pression de l'eau de refroidissement fournie à la face de la tuyère et du refroidisseur de tuyère ne doit pas dépasser 5 à 10 kg/cm². L'utilisation du cuivre (avec une pureté minimum de 99,5 %) comme matériau de construction permet d'éliminer efficacement la chaleur du corps conique de la tuyère fonctionnant dans des conditions extrêmement chaudes.

Fabriquée principalement en cuivre coulé, avec des canaux refroidis à l'eau, la tuyère est le dispositif qui permet à l'air chauffé d'être soufflé dans la cavité de combustion (raceway) du haut fourneau. Exposée à un environnement d'exploitation rude et turbulent, la région de la tuyère est dynamique et complexe, contenant des gaz de combustion, des oxydes liquides (scories), du fer liquide, du coke, du charbon pulvérisé, du char et des températures dépassant fréquemment 2200 °C. Bien que reconnue comme un composant clé, une tuyère indestructible pour haut fourneau n'a pas encore été développée. La mauvaise fiabilité des tuyères n'est pas un phénomène récent.

Malgré le fait d'être la voie de production de fer dominante, et après plusieurs siècles de développement, les hauts fourneaux sont encore sujets aux défaillances de tuyères. Une défaillance de tuyère introduit une situation que tous les opérateurs essaient d'éviter, typiquement l'instabilité du fourneau, l'augmentation des coûts et du taux de combustible, la perte de productivité, et l'augmentation des risques de sécurité et d'environnement.

La durabilité des tuyères de haut fourneau influence l'économie du procédé du haut fourneau. Une durabilité inadéquate augmente les coûts pour le matériau de la tuyère elle-même, d'une part, et conduit d'autre part à des réparations et arrêts fréquents et donc à une réduction de la production du haut fourneau.

Reconnue comme un composant critique, la fiabilité des tuyères est fréquemment suivie comme un indicateur clé de performance (KPI) dans l'exploitation du haut fourneau. Une revue de la performance des tuyères indique souvent des taux de défaillance élevés et constate que les arrêts non planifiés pour remplacer les tuyères sont devenus routiniers.

Lorsqu'une tuyère échoue, l'eau à haute pression, qui refroidit la tuyère, est autorisée à entrer dans le haut fourneau. Cette entrée d'eau déclenche une chaîne d'événements qui perturbe l'exploitation du fourneau. Cela inclut l'instabilité du fourneau, l'augmentation des coûts de combustible et de matériaux, la perte de productivité, et l'augmentation des risques de sécurité et d'environnement. Poussée à l'extrême, une défaillance de tuyère peut entraîner la destruction du haut fourneau avec des impacts de sécurité funestes.

Initialement, avant l'avènement du refroidissement à l'eau, de nombreuses défaillances de tuyères étaient liées au « ferrage » de la tuyère. Avec l'invention de l'air chaud de soufflage en 1828, la conception des tuyères a évolué pour inclure éventuellement le refroidissement à l'eau. À la fin du XIXe siècle, les avantages d'une tuyère refroidie à l'eau étaient acceptés dans l'industrie, tout comme la reconnaissance de l'effet d'une défaillance. Les effets rapportés des défaillances de tuyères sont : (i) qualités inférieures de fer (soufre plus élevé et silicium plus bas), (ii) creusets refroidis, (iii) explosions, (iv) « gaz sauvage » pour les chaufferettes (probablement teneur élevée en hydrogène), (v) risques de sécurité accrus (changement de tuyères sous soufflage), (vi) coûts accrus, et (vii) perte de production. En 1918, J.E. Johnson Jr., dans son texte sur les principes du haut fourneau, conseillait aux opérateurs de l'« ...effet ruineux de l'eau sur l'exploitation du fourneau... », tout en quantifiant la perte de chaleur en termes de combustible pour une fuite (fuite de 0,12 m³/heure correspondant à une perte de 2 % de la chaleur du creuset). Presque 100 ans plus tard, la fiabilité des tuyères est encore un sujet d'intérêt et reste un problème moderne.

Les tentatives pour améliorer la fiabilité des tuyères ont continué à défier les opérateurs de hauts fourneaux et les fabricants de tuyères. Alors que les hauts fourneaux ont été développés pour fonctionner à une productivité plus élevée, à des taux de coke plus bas principalement par l'injection de charbon pulvérisé, l'activité d'investigation des causes des défaillances de tuyères s'est concentrée sur la charge, les pratiques d'exploitation, la conception des tuyères et les défauts de fabrication.

Fréquemment, les causes des défaillances de tuyères sont évidentes. L'érosion, l'abrasion et les brûlures par le métal chaud sont toutes facilement discernables par une inspection visuelle superficielle. Cependant, un plus grand détail est nécessaire pour compléter l'analyse. En coupant des sections de tuyères défaillantes, les défauts de coulée et de fabrication deviennent évidents.

Prévenir les défaillances de tuyères est l'une des tâches les plus importantes des producteurs de fer car il est essentiel de maintenir une exploitation stable et une productivité élevée. Une tuyère à longue durée de vie a été développée au Japon. Les caractéristiques de cette tuyère sont : (i) la perte de charge est faible (économie d'énergie) et le débit d'eau est élevé (haute capacité de refroidissement) car la structure de la tuyère est excentrique, (ii) la tuyère est revêtue de certains matériaux céramiques pour la protéger de la combustion et de l'abrasion à la surface externe, et (iii) la tuyère est conçue pour être facilement réparée, ce qui réduirait les dépenses de maintenance.

Les dommages aux tuyères de haut fourneau sont causés essentiellement par la surcharge thermique, l'action mécanique et les défauts de construction et de fabrication des tuyères. De nombreuses études ont été menées par le passé sur la charge thermique et l'attaque mécanique sur les tuyères et divers concepts ont été développés sur le cours de la destruction des tuyères de haut fourneau ; par exemple, la possibilité a été indiquée que le matériau de la tuyère peut être détruit par contact direct avec le métal chaud à travers des dépôts de fer sous la tuyère.

L'abrasion mécanique sur les tuyères est attribuable aux solides se déplaçant devant les tuyères. Le fait que l'abrasion sur la partie supérieure de la buse de la tuyère soit plus grande que celle sur la partie inférieure est censé confirmer cette hypothèse.

Outre de tels effets, causés par l'exploitation du haut fourneau, des défauts de construction, de matériau et de fabrication ont été donnés comme cause de dommages aux tuyères. Les circuits d'eau de refroidissement qui ne permettent pas un bon transfert de chaleur doivent être comptés comme des défauts de construction. Les défauts de coulée et les écarts par rapport à la conception sont des défauts de fabrication qui peuvent être reconnus par des essais non destructifs. Avec des circuits d'eau de refroidissement améliorés, comme déjà incorporés dans une construction de tuyère avancée, une durabilité de tuyère bien améliorée est disponible à partir de telles tuyères.

Pour réduire l'usure des tuyères, diverses couches protectrices ont été essayées. Les oxydes métalliques, en particulier l'oxyde de zirconium, l'oxyde de béryllium et l'oxyde d'aluminium, ont été fréquemment utilisés. Le nickel ou les alliages de nickel sont dits appropriés comme couches intermédiaires. Les processus de diffusion mènent également à une couche protectrice résistante. Quant au mode d'action et au succès des couches protectrices pour augmenter la durée de vie, il y a dans une certaine mesure des déclarations contradictoires.

L'abrasion mécanique sur les tuyères est attribuable aux solides se déplaçant devant les tuyères. Le fait que l'abrasion sur la partie supérieure de la buse de la tuyère soit plus grande que celle sur la partie inférieure est censé confirmer cette hypothèse. Des études récentes sur les mouvements devant les tuyères pointent également vers cette possibilité d'usure abrasive des tuyères.

Outre de tels effets, causés par l'exploitation du haut fourneau, des défauts de construction, de matériau et de fabrication ont été donnés comme cause de dommages aux tuyères. Les circuits d'eau de refroidissement qui ne permettent pas un bon transfert de chaleur doivent être comptés comme des défauts de construction. Les défauts de coulée et les écarts par rapport à la conception sont des défauts de fabrication qui peuvent être reconnus par des essais non destructifs. Avec des circuits d'eau de refroidissement améliorés, comme déjà incorporés dans une construction de tuyère avancée, une durabilité de tuyère bien améliorée peut être obtenue.

Pour faciliter l'analyse des défaillances des tuyères par rapport aux défauts de fabrication, des essais de conductivité électrique sont souvent effectués. En se concentrant sur le point de défaillance commun, la conductivité de la coulée est mesurée à travers la ligne de soudure. Selon la loi de Wiedemann-Franz, la conductivité électrique est proportionnelle à la conductivité thermique. Des conductivités électriques aussi basses que 16 % IACS (International Annealed Copper Standard) sont parfois observées. Au niveau de la soudure circonférentielle externe, où les défaillances sont les plus courantes, la conductivité thermique de la zone de soudure est généralement seulement d'environ un tiers de la conductivité thermique du cuivre pur. Cela forme un point faible où la coulée n'est pas suffisamment refroidie et fond simplement pour aboutir à une défaillance éventuelle. Une augmentation des spécifications de conductivité électrique et des tests plus rigoureux sont nécessaires chez les fabricants de tuyères car ce paramètre joue un rôle significatif dans la performance des tuyères.