Système de soufflage d'air pour haut fourneau

Système de soufflage d'air pour haut fourneau

Un haut fourneau (BF) produit de la fonte liquide (métal chaud) en réduisant la charge de minerai avec des gaz réducteurs. Les gaz réducteurs sont produits par la réaction de l'oxygène avec le coke et le charbon. Cet oxygène fait partie du jet d'air chaud enrichi qui est soufflé et distribué au fond du BF à travers les tuyaux droits, les sarbacanes et les tuyères. Cet ensemble est relié au tuyau d'agitation principal. Le volume d'air qui est enrichi en oxygène et soufflé pour le processus dans le BF qui doit avoir lieu est fourni par les soufflantes d'air. Ces soufflantes d'air prennent l'air de l'atmosphère et le compriment à la pression requise. Cet air comprimé qui est à environ jusqu'à 200 degrés C après compression est enrichi en oxygène et soufflé dans les poêles chauds où la température est élevée jusqu'à 1 200 à 1 250 degrés C. Cet air soufflé chaud est ensuite acheminé vers le tuyau d'agitation à travers la canalisation principale à air chaud. 1350 deg C et des pressions de souffle jusqu'à 5 kg/cm² (g). L'ensemble du processus est généralement illustré à la figure 1.

Fig 1 Schémas d'un système de soufflage d'air typique

Les principaux composants d'un système de soufflage d'air d'un haut fourneau consistent en (i) une soufflante d'air, (ii) une conduite à vent froid, (iii) un poêle à vent chaud avec son système de combustion, (iv) une conduite à vent chaud, (v) une agitation tuyau, (vi) chalumeaux et tuyères dits porte-tuyères, (vii) jeu de vannes, et (viii) instruments de contrôle.

Le souffleur d'air est le premier équipement du système de soufflage d'air. Il est situé dans la soufflerie et est destiné à fournir un souffle d'air froid aux poêles à vent chaud au volume et à la pression constants souhaités. Par conséquent, le contrôle de la protection contre les surtensions est un contrôle très important pour un ventilateur de haut fourneau. Généralement, deux nombres de soufflantes d'air sont prévues pour un haut fourneau. Il aspire le volume d'air de l'atmosphère et le comprime à la pression nécessaire et le souffle dans une conduite à air froid. L'air comprimé est généralement à 150 degrés C à 250 degrés C, qui est la température résultant de la chaleur de compression au niveau du ventilateur. Les soufflantes sont soit à turbine à vapeur, soit à moteur électrique. La soufflante d'air doit être actionnée pour répondre aux conditions de débit d'air qui, à leur tour, sont déterminées par les conditions de fonctionnement du haut fourneau. De plus, ils doivent avoir un très haut niveau de fiabilité car les performances du haut fourneau dépendent beaucoup des performances de la soufflante.

Pour générer l'air de soufflage, la plupart des hauts fourneaux sont équipés de turbosoufflantes centrifuges à trois ou quatre étages. Pour certains des très grands hauts fourneaux, deux soufflantes fonctionnent en parallèle. Cependant, avec de très grands hauts fourneaux, les soufflantes axiales peuvent être utilisées plus efficacement. Les hauts fourneaux modernes ont des compresseurs isothermes axiaux ou radiaux axiaux qui sont conçus pour gérer un grand volume de flux d'air dans des enveloppes relativement petites tout en maintenant d'excellents rendements.

La conduite à air froid relie le ventilateur et les poêles à air chaud. Il n'est normalement pas doublé car la température du vent froid est normalement comprise entre 150 deg C et 250 deg C. Cependant, dans certains fours, en tant que mesure d'économie d'énergie, la ligne de vent froid est isolée. À l'extrémité du poêle de la conduite de soufflage à froid se trouvent les vannes de soufflage à froid pour les poêles et la ligne de mélangeur qui est équipée d'une vanne papillon. Pour maintenir une température de vent chaud constante dans le haut fourneau, un thermocouple dans la conduite de vent chaud contrôle cette vanne papillon dans la ligne de mélangeur et proportionne la quantité d'air fournie au poêle et la quantité qui le contourne.

Lorsqu'un poêle chauffé se met en marche pour la première fois, la température de l'air chauffé est beaucoup plus élevée que la température de souffle chaud souhaitée, de sorte qu'une partie importante de l'air doit contourner le poêle. Au fur et à mesure que la chaleur est retirée du poêle et que la température diminue, la vanne papillon de la ligne du mélangeur doit se fermer progressivement et forcer davantage d'air à travers le poêle. Dans certains systèmes de changement automatique de poêle, la position de la vanne de régulation est utilisée comme signal qui déclenche un changement de poêle.

La conduite de vent froid est également équipée d'une soupape de reniflement, généralement située près du haut fourneau qui est ouverte lorsqu'il est nécessaire de diminuer rapidement la pression du vent. Cela décharge l'air de soufflage froid dans l'atmosphère et maintient une pression positive sur la ligne de soufflage à froid de sorte que le gaz du four ne puisse pas retourner vers la soufflante d'air. En raison de l'évacuation rapide de l'air lorsque la valve de reniflement est ouverte, elle est normalement équipée d'un silencieux.

Dans les installations où le soufflage d'air est enrichi en oxygène, l'oxygène peut être ajouté à pression atmosphérique à l'entrée de la turbosoufflante ou il peut être ajouté sous pression dans la conduite de soufflage froid. L'humidité est ajoutée dans la canalisation principale de soufflage à froid lorsque cela est nécessaire pour le contrôle de l'humidité de soufflage.

Le poêle à vent chaud est une installation permettant de fournir en continu le vent chaud à un haut fourneau. Avant que le vent d'air ne soit acheminé vers les tuyères de haut fourneau, il est préchauffé en le faisant passer dans des fourneaux à vent chaud régénératifs qui sont chauffés principalement par la combustion du gaz de tête de haut fourneau (gaz BF). De cette manière, une partie de l'énergie du gaz de gueulard est restituée au haut fourneau sous forme de chaleur sensible. Cette énergie thermique supplémentaire renvoyée au haut fourneau sous forme de chaleur réduit considérablement les besoins en coke de haut fourneau et facilite l'injection de combustibles auxiliaires tels que le charbon pulvérisé en remplacement du coke métallurgique coûteux. Cela améliore l'efficacité du processus. Les poêles à air chaud d'un haut fourneau moderne ont les caractéristiques suivantes.

• Atteinte d'une combustion à haut rendement – Atteinte d'une combustion à haut rendement même en fonctionnement avec uniquement du gaz de haut fourneau.
• Diminution de la chaleur émise par le corps du poêle.
• Faibles coûts de construction.
• Durée de vie élevée du poêle :la durée de vie prévue d'un poêle moderne est d'environ 40 ans
• Élimination complète de la fissuration par corrosion sous contrainte.
• Faible concentration de CO non brûlé au-dessus de la surface supérieure des briques en damier

La plupart des hauts fourneaux sont équipés de trois fourneaux à air chaud, bien que certains hauts fourneaux soient équipés de quatre fourneaux. Les poêles sont de hautes structures cylindriques en acier doublées d'isolant et presque entièrement remplies de briques en damier où la chaleur est stockée puis transférée au souffle d'air. Chaque poêle a un diamètre à peu près aussi grand que le haut fourneau et la hauteur de la colonne de contrôleurs est environ 1,5 fois plus grande que la hauteur de travail du haut fourneau. Dans les hauts fourneaux modernes, la relation entre la taille du poêle et la taille du four est encore plus grande. Les poêles à air chaud ont été décrits séparément dans l'article http://www.ispatguru.com/generation-of-hot-air-blast-and-hot-blast-stoves/.

Le souffle d'air chaud est acheminé des fourneaux à vent chaud au haut fourneau par un grand conduit à revêtement réfractaire appelé le principal à vent chaud. Une température élevée constante du jet d'air chaud est essentielle pour le fonctionnement efficace du haut fourneau. Les conceptions des canalisations à vent chaud ainsi que du tuyau d'agitation doivent tenir compte des mouvements du système et des dilatations résiduelles pour assurer un fonctionnement sans problème. Le concepteur de la conduite à vent chaud du haut-fourneau fait face à plusieurs défis uniques. La conduite principale à vent chaud est généralement un tuyau de grand diamètre soumis à un certain nombre de composants de dilatation thermique. Le système de joints de dilatation doit être conçu pour s'adapter aux mouvements thermiques dans les directions X, Y et Z des branchements du poêle, du tuyau principal et du tuyau d'agitation. Les mouvements thermiques sont dus aux variations de température de peau provoquées par les fluides ainsi qu'aux variations de température des tirants et des structures dues aux variations des conditions ambiantes. Il faut également tenir compte des forces et des mouvements imposés aux connexions et aux structures du poêle ainsi que des contraintes dans le système de tuyauterie à vent chaud. Enfin, les joints de dilatation doivent fonctionner pendant la longue campagne de hauts fourneaux avec un minimum d'entretien.

Un grand nombre de vannes et de raccords sont nécessaires pour le système de soufflage d'air. Certaines des principales vannes sont indiquées ci-dessous.

• Vanne de vent froid - Elle est destinée à la séparation complète du fourneau de haut fourneau de la conduite de vent froid. Il est installé sur la conduite de soufflage à froid horizontale près du poêle.
• Vanne de reniflement - Elle est installée dans la conduite principale de soufflage à froid. La vanne a un dispositif de purge. Ceci est utilisé pour réguler la quantité de vent froid qui est fournie aux poêles, sans créer de contre-pression sur le ventilateur, car l'air en excès est soufflé à travers un dispositif de soufflage qui est mécaniquement relié à la vanne principale pour une ouverture/fermeture proportionnelle .
• Vanne de vent chaud - Elle est destinée à la séparation du poêle à vent chaud du haut fourneau de la conduite principale de vent chaud, lors du fonctionnement du poêle en mode "au chauffage" ou lors de la séparation complète du haut fourneau. Cette vanne est installée dans la conduite de soufflage à chaud horizontale près du poêle.
• Vanne atmosphérique - Elle est destinée à libérer le poêle du haut fourneau de la cheminée.
• Le papillon des gaz - Il est conçu pour le contrôle du gaz fourni au brûleur à gaz du poêle à air chaud et la libération complète du conduit  brûleur à gaz comme lors du fonctionnement normal et en cas de panne d'alimentation. Il est installé sur la section verticale du conduit de gaz.
• Vanne d'étranglement de mélange - Elle est destinée à régler le taux de soufflage à froid. Il est monté sur la section verticale de la conduite de soufflage à froid près du poêle.
• Vanne de cheminée - Elle est destinée à séparer le poêle de haut fourneau de la cheminée.
• Vanne de séparation - Elle est conçue pour un chevauchement rapide de la section de la conduite d'air de mélange en cas d'arrêt de l'alimentation en vent dans le four. Il est installé sur la section horizontale de la ligne d'air de mélange à air froid.

Le tuyau circulaire de grand diamètre qui entoure le haut fourneau au-dessus du niveau du manteau est appelé le tuyau d'agitation. Il est utilisé pour distribuer l'air de soufflage chaud du collecteur de vent chaud dans le four à travers un certain nombre de buses appelées tuyères. Le tuyau d'agitation est doublé à l'intérieur de réfractaire pour isoler et protéger la coque extérieure en acier de l'air à haute température à l'intérieur.

Les tuyères sont de petits tuyaux qui permettent à l'air chaud du tuyau d'agitation d'entrer dans le haut fourneau. Ce sont des buses de forme spéciale à travers lesquelles un jet d'air chaud est injecté dans le haut fourneau. Ils sont en cuivre et sont généralement refroidis à l'eau car ils sont directement exposés à la température du four. Ils sont situés tout autour du haut fourneau comme des rayons sur le moyeu d'une roue de bicyclette. Le stock de tuyère est l'assemblage du col de cygne, du soufflet d'expansion, du tuyau de raccordement, du coude, du judas, du tuyau de soufflage, du dispositif de fixation et du dispositif de tension. Les stocks de tuyère, en tant que connexion entre le tuyau d'agitation et la tuyère, s'adaptent aux mouvements relatifs entre le système de distribution de vent chaud et le haut fourneau.

Le chalumeau, qui relie le système de souffle chaud à la tuyère, s'insère dans un siège sphérique usiné à la base de la tuyère. Le refroidisseur de tuyère et la tuyère sont refroidis à l'eau. Sur les hauts fourneaux modernes utilisant des températures de vent chaud supérieures à 1150 deg 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 afin d'améliorer le taux de transfert de chaleur. Dans certains des hauts fourneaux modernes, le nez du chalumeau est également refroidi à l'eau, bien que dans la plupart des fours plus anciens, cela ne soit pas fait. La lance d'injection de carburant pénètre à travers la paroi du chalumeau et évacue généralement le carburant légèrement en dehors de la ligne médiane et à environ 50 mm en arrière du nez du chalumeau. Certains hauts fourneaux sont équipés de systèmes à double injection qui ont deux ouvertures dans le chalumeau pour faciliter l'utilisation de plusieurs combustibles à tuyère. Avec l'utilisation accrue de charbon pulvérisé comme combustible de tuyère, le placement de la lance d'injection est plus critique pour empêcher l'impact sur l'intérieur de la tuyère et pour une meilleure combustion du charbon. Le chalumeau est maintenu fermement contre la tuyère par la tension de la tige de bride, qui relie le stock de tuyère à la chemise du foyer. Le ressort de bride à l'extrémité de la tige de bride permet un mouvement limité lorsque le chalumeau se dilate et se contracte avec les changements de température du vent chaud. Le chalumeau lui-même est un tube en acier allié doublé d'un matériau réfractaire pour empêcher le métal de devenir trop chaud.

Les composants principaux du stock de tuyère sont étroitement liés aux surfaces coniques polies au moyen de la disposition étroite conséquente de la partie suivante dans la précédente. Ainsi, les surfaces coniques à emboîtement fermé assurent l'étanchéité du joint. Une perturbation du cycle de chauffage en fonctionnement ainsi que toute fuite de l'un des joints dans le stock de tuyère entraîne la combustion des éléments de construction et des défaillances.

La tuyère, le refroidisseur de tuyère et le tuyau de soufflage fonctionnent dans les conditions de température les plus élevées. Le refroidisseur à tuyère est placé dans la poitrine du garnissage du four. La tuyère est couplée à la tuyère qui est déjà de 250 mm à 350 mm de profondeur à l'intérieur du corps du haut fourneau.

Les chalumeaux sont généralement en acier avec un revêtement en céramique réfractaire spéciale. Les tuyères sont en cuivre. Auparavant, les tuyères de type art étaient constituées de feuilles de cuivre pressées, d'une épaisseur de paroi allant jusqu'à 8 mm. De nos jours, les tuyères sont généralement fabriquées en cuivre coulé par centrifugation, ce qui garantit une durée de vie maximale de la tuyère grâce à la haute manufacturabilité qui offre la plus grande homogénéité du matériau et l'absence de micropores. Cependant cette méthode est un peu plus chère que la fabrication des tuyères par le biais de la coulée sous vide. Ce dernier est également parfois appliqué dans la production des tuyères et a un coût de conversion moindre mais il existe une possibilité de légère non-homogénéité du matériau. Quoi qu'il en soit, la méthode de coulée de la production de tuyères a presque remplacé l'application de la construction soudée des tuyères en raison de sa capacité de fonctionnement inférieure malgré le coût de production inférieur qui est également associé au coulage du refroidisseur de tuyère en cuivre creux. Le refroidisseur à tuyère est également fabriqué par coulée et est en cuivre (moins souvent en bronze). Il est monté dans la poitrine du revêtement du four et fixé à travers la bride avec la soudure supplémentaire à l'enveloppe du foyer.

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

À l'arrière du stock de tuyère, sur l'axe du chalumeau et de la tuyère, se trouve une petite ouverture à travers laquelle une tige peut être insérée pour nettoyer le matériau hors du chalumeau. L'ouverture est fermée par un bouchon qui peut être ouvert si nécessaire mais qui est étanche au gaz lorsqu'il est fermé. Dans ce capuchon, appelé capuchon de tuyère ou guichet, il y a un viseur recouvert de verre qui permet à l'opérateur d'inspecter l'intérieur du four directement devant la tuyère. La partie supérieure de la crosse est reliée par un joint tournant à l'embout garni réfractaire du col de cygne auquel elle est serrée par des ergots et des clavettes qui s'emboîtent dans les sièges des barres de suspension. Chaque col de cygne est à son tour relié par des brides et des boulons à un col s'étendant radialement depuis le diamètre intérieur du tuyau d'agitation. Les stocks de Tuyere sont conçus pour une longue durée de vie et une manipulation facile. Les schémas d'un agencement typique de stock de tuyère sont illustrés à la Fig. 2.

Fig 2 Schémas des dispositions typiques de stock de tuyère