Système de soufflage d'air optimisé pour une exploitation efficace du haut fourneau

Système de soufflage d'air pour haut fourneau

Un haut fourneau (HF) produit du fer liquide (métal chaud) par la réduction de 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 de l'air chaud enrichi qui est soufflé et distribué au bas du HF à travers les tuyaux droits, les tuyères et les buses. Cet ensemble est connecté au collecteur principal (bustle pipe). Le volume d'air qui est enrichi en oxygène et soufflé pour que le processus dans le HF ait lieu est fourni par les soufflantes d'air. Ces soufflantes aspirent l'air de l'atmosphère et le compriment à la pression requise. Cet air comprimé qui est à environ 200 °C après compression est enrichi en oxygène et soufflé dans les fours à air chaud (hot stoves) où la température est élevée jusqu'à 1 200 à 1 250 °C. Cet air chaud est ensuite amené au collecteur principal par la conduite principale d'air chaud. Les systèmes de soufflage d'air des hauts fourneaux modernes de grande capacité fonctionnent avec des températures de soufflage allant jusqu'à 1 350 °C et des pressions de soufflage jusqu'à 5 kg/cm² (jauge). L'ensemble du processus est typiquement montré à la Fig. 1.

Fig. 1 Schéma typique du système de soufflage d'air

Les principaux composants d'un système de soufflage d'air d'un haut fourneau consistent en : (i) soufflante d'air, (ii) conduite principale d'air froid, (iii) four à air chaud avec son système de combustion, (iv) conduite principale d'air chaud, (v) collecteur principal (bustle pipe), (vi) tuyaux de soufflage et buses (tuyères) connus sous le nom de stocks de tuyères, (vii) ensemble de vannes, et (viii) instruments de contrôle.

Soufflante d'air

La soufflante d'air est le premier équipement du système de soufflage d'air. Elle est située dans la maison des soufflantes et est destinée à fournir de l'air froid aux fours à air chaud au débit volumique et à la pression constants souhaités. Par conséquent, la protection contre le pompage (surge protection) est un contrôle très important pour une soufflante d'air de haut fourneau. Généralement, deux soufflantes d'air sont fournies pour un haut fourneau. Elle aspire le volume d'air de l'atmosphère et le comprime à la pression nécessaire et le souffle dans la conduite principale d'air froid. L'air comprimé est généralement à 150 °C à 250 °C, qui est la température résultant de la chaleur de compression à la soufflante d'air. Les soufflantes d'air sont soit entraînées par turbine à vapeur, soit par moteur électrique. La soufflante d'air doit être exploitée pour répondre aux conditions de débit d'air qui sont à leur tour déterminées par la condition d'exploitation du haut fourneau. Elles doivent également avoir un niveau de fiabilité très élevé puisque la performance du haut fourneau dépend beaucoup de la performance 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 très grands hauts fourneaux, deux soufflantes fonctionnent en parallèle. Cependant, avec de très grands hauts fourneaux, des soufflantes axiales peuvent être utilisées plus efficacement. Les hauts fourneaux modernes ont soit des compresseurs isothermes axiaux, soit axiaux-radiaux conçus pour gérer de grands volumes de débit d'air dans des enveloppes relativement petites tout en maintenant d'excellents rendements.

Conduite principale d'air froid

La conduite principale d'air froid relie la soufflante d'air et les fours à air chaud. Elle n'est normalement pas revêtue car la température de l'air froid est normalement entre 150 °C et 250 °C. Cependant, dans certains fourneaux, en tant que mesure d'économie d'énergie, la conduite d'air froid est isolée. À l'extrémité du four de la conduite principale d'air froid se trouvent les vannes d'air froid pour les fours et la ligne de mélange qui est équipée d'une vanne papillon. Pour maintenir une température d'air chaud constante au haut fourneau, un thermocouple dans la conduite principale d'air chaud contrôle cette vanne papillon dans la ligne de mélange et proportionne la quantité d'air livrée au four et la quantité la contournant.

Lorsqu'un four chauffé passe pour la première fois en soufflage, la température de l'air chauffé est bien plus élevée que la température d'air chaud désirée, donc une partie significative de l'air doit contourner le four. À mesure que la chaleur est retirée du four et que la température diminue, la vanne papillon de la ligne de mélange doit se fermer progressivement et forcer plus d'air à travers le four. Dans certains systèmes de changement de four automatique, la position de la vanne de régulation est utilisée comme signal qui initie un changement de four.

La conduite principale d'air froid est également équipée d'une vanne de décharge (snort valve), généralement située près du haut fourneau, qui s'ouvre lorsqu'il est nécessaire de diminuer rapidement la pression de soufflage. Cela décharge l'air froid vers l'atmosphère et maintient une pression positive sur la conduite d'air froid afin que le gaz du fourneau ne puisse pas revenir vers la soufflante d'air. En raison de la décharge rapide d'air lors de l'ouverture de la vanne de décharge, elle est normalement équipée d'un silencieux.

Dans les usines où l'air de soufflage est enrichi en oxygène, l'oxygène peut être ajouté à la pression atmosphérique à l'entrée de la turbosoufflante ou il peut être ajouté sous pression dans la conduite principale d'air froid. L'humidité est ajoutée dans la conduite principale d'air froid lorsqu'elle est requise pour le contrôle de l'humidité du soufflage.

Four à air chaud (Hot blast stove)

Le four à air chaud est une installation pour fournir en continu l'air chaud de soufflage à un haut fourneau. Avant que l'air de soufflage ne soit livré aux tuyères du haut fourneau, il est préchauffé en le faisant passer à travers des fours à air chaud régénératifs qui sont chauffés principalement par la combustion du gaz de tête de haut fourneau (gaz HF). De cette façon, une partie de l'énergie du gaz de tête est retournée au haut fourneau sous forme de chaleur sensible. Cette énergie thermique supplémentaire retournée au haut fourneau sous forme de chaleur réduit substantiellement la consommation de coke du 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 fours 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.
• Moindre rayonnement de chaleur depuis le corps du four.
• Coûts de construction faibles.
• Longue durée de vie du four — durée de vie attendue d'un four moderne 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 de contrôle (checker bricks).

La plupart des hauts fourneaux sont équipés de trois fours à air chaud, bien que dans certains hauts fourneaux il y en ait quatre. Les fours sont de hautes structures cylindriques en acier, revêtues d'isolation et remplies presque complètement de briques de contrôle (checker bricks) où la chaleur est stockée puis transférée à l'air de soufflage. Chaque four a à peu près le même diamètre que le haut fourneau, et la hauteur de la colonne de briques de contrôle est environ 1,5 fois plus haute que la hauteur de travail du haut fourneau. Dans les hauts fourneaux modernes, la relation entre la taille du four et la taille du fourneau est encore plus grande. Les fours à air chaud ont été décrits séparément dans l'article https://www.ispatguru.com/generation-of-hot-air-blast-and-hot-blast-stoves/.

Conduite principale d'air chaud (Hot blast main)

L'air chaud est livré des fours à air chaud au haut fourneau à travers un grand conduit revêtu de réfractaire appelé conduite principale d'air chaud. Une température constante et élevée de l'air chaud est critique pour l'exploitation efficace du haut fourneau. Les conceptions des conduites principales d'air chaud ainsi que du collecteur principal doivent prendre en compte les mouvements du système et les expansions résiduelles pour donner un fonctionnement sans problème. Le concepteur de la conduite principale d'air chaud du haut fourneau fait face à plusieurs défis uniques. La conduite principale d'air chaud est typiquement un tuyau de grand diamètre soumis à un certain nombre de composants d'expansion thermique. Le système de joints de dilatation doit être conçu pour accommoder les mouvements thermiques dans les directions X, Y et Z des connexions de branches de four, de la conduite principale et du collecteur. Les mouvements thermiques sont dus aux variations de température de peau causées par le fluide ainsi qu'aux variations de température des tirants et des structures dues aux changements des conditions ambiantes. Il faut également tenir compte des forces et mouvements imposés sur les connexions de four et les structures ainsi que des contraintes dans le système de tuyauterie d'air chaud. Enfin, les joints de dilatation doivent fonctionner sur la longue campagne du haut fourneau avec un besoin minimal de maintenance.

Vannes et raccords

Il y a un grand nombre de vannes et raccords nécessaires pour le système de soufflage d'air. Certaines des vannes principales sont données ci-dessous.

• Vanne d'air froid — Elle est destinée à la séparation complète du four à air chaud du haut fourneau de la conduite principale d'air froid. Elle est installée sur la conduite principale d'air froid horizontale près du four.
• Vanne de décharge (snort valve) — Elle est installée dans la conduite principale d'air froid. La vanne a un dispositif de soufflage. Elle est utilisée pour réguler la quantité d'air froid fournie aux fours, sans créer de contre-pression sur la soufflante, car l'air excédentaire est soufflé à travers un dispositif de soufflage qui est mécaniquement interconnecté avec la vanne principale pour une ouverture/fermeture proportionnelle.
• Vanne d'air chaud — Elle est destinée à la séparation du four à air chaud du haut fourneau de la conduite principale d'air chaud, lors de l'exploitation du four en mode « en chauffe » ou à la séparation complète du haut fourneau. Cette vanne est installée dans la conduite principale d'air chaud horizontale près du four.
• Vanne atmosphérique — Elle est destinée à libérer le four du haut fourneau de la cheminée.
• Vanne d'étranglement de gaz — Elle est conçue pour le contrôle du gaz fourni au brûleur à gaz du four à air chaud et la libération complète du conduit de brûleur à gaz en fonctionnement normal et en cas de défaillance de l'alimentation électrique. Elle est installée sur la section verticale du conduit de gaz.
• Vanne d'étranglement de mélange — Elle est destinée à ajuster le débit d'air froid. Elle est montée sur la section verticale de la conduite principale d'air froid près du four.
• Vanne de cheminée — Elle est destinée à séparer le four du haut fourneau de la cheminée.
• Vanne de séparation — Elle est conçue pour le chevauchement rapide de la section de la ligne de mélange d'air en cas d'arrêt de l'alimentation en soufflage dans le fourneau. Elle est installée sur la section horizontale de la ligne de mélange d'air froid.

Collecteur principal (Bustle pipe) et tuyères

Le tuyau circulaire de grand diamètre qui entoure le haut fourneau au-dessus du niveau du manteau est appelé le collecteur principal (bustle pipe). Il est utilisé pour distribuer l'air chaud de soufflage de la conduite principale d'air chaud dans le fourneau à travers un certain nombre de buses appelées tuyères. Le collecteur principal est revêtu intérieurement 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 collecteur principal 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 en 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 comme des rayons sur le moyeu d'une roue de bicyclette. Le stock de tuyère est l'assemblage de col de cygne, soufflet d'expansion, tuyau de raccordement, coude, orifice de visualisation, tuyau de soufflage, dispositif de fixation et dispositif de tension. Les stocks de tuyères, en tant que connexion entre le collecteur principal et la tuyère, s'adaptent aux mouvements relatifs entre le système de distribution d'air chaud et le haut fourneau.

Le tuyau de soufflage, qui connecte le système d'air 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 d'air chaud supérieures à 1 150 °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 hauts fourneaux modernes, le nez du tuyau de soufflage est également refroidi à l'eau, bien que dans la plupart des anciens fourneaux ce ne soit pas fait. La lance d'injection de combustible entre à travers 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 les multiples combustibles de tuyère. Avec l'utilisation accrue du 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 tuyau de soufflage est maintenu fermement contre la tuyère par la tension dans la tige de bride (bridle rod), qui connecte le stock de tuyère à la chemise de foyer. Le ressort de bride à l'extrémité de la tige de bride permet un mouvement limité alors que le tuyau de soufflage se dilate et se contracte avec les changements de température d'air chaud. Le tuyau de soufflage lui-même est un tube en acier allié revêtu de matériau réfractaire pour empêcher le métal de devenir trop chaud.

Les principaux composants du stock de tuyère sont étroitement connectés avec les surfaces coniques polies au moyen de l'arrangement serré conséquent de la pièce suivante dans la précédente. Ainsi, les surfaces coniques ajustées fermement assurent l'intégrité étanche du joint. Une perturbation du cycle de chauffage d'exploitation ainsi que toute fuite de l'un des joints dans le stock de tuyère entraînent 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 lourdes. Le refroidisseur de tuyère est placé dans la poitrine du revêtement du fourneau. La buse est couplée avec la tuyère qui est déjà à 250 mm à 350 mm de profondeur à l'intérieur du corps du haut fourneau.

Les tuyaux de soufflage sont généralement en acier avec un revêtement en céramique réfractaire spéciale. Les tuyères sont en cuivre. Auparavant, les tuyères de type artisanal étaient en feuilles de cuivre pressées, épaisseur de paroi jusqu'à 8 mm. De nos jours, les tuyères sont généralement en cuivre moulé par centrifugation, ce qui assure une durée de vie opérationnelle maximale grâce à la haute fabricabilité qui fournit 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 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 opérationnelle inférieure malgré le coût de production plus faible qui est aussi associé à la coulée du refroidisseur de tuyère en cuivre creux. Le refroidisseur de tuyère est également fabriqué par coulée et est en cuivre (moins souvent en bronze). Il est monté dans la poitrine du revêtement du fourneau et fixé par la bride avec soudure additionnelle à la chemise de foyer.

La tuyère du haut fourneau est refroidie par l'eau fournie à un débit de 15 à 25 m³/h directement sur la face interne de la tuyère. La température de chauffage de l'eau de refroidissement évacuée 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 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'éliminer efficacement la chaleur du corps conique de la tuyère fonctionnant dans des conditions extrêmement chaudes.

À l'arrière du stock de tuyère sur la ligne centrale du tuyau de soufflage et de la tuyère se trouve une petite ouverture à travers laquelle une tige peut être insérée pour nettoyer le matériau 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 une viseur vitré qui permet à l'opérateur d'inspecter l'intérieur du fourneau directement devant la tuyère. La partie supérieure du stock est connectée par un joint pivotant à la buse revêtue de réfractaire du col de cygne à laquelle il est serré par des pattes 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 collecteur principal. Les stocks de tuyères sont conçus pour une longue durée de vie et une manipulation aisée. Les schémas d'arrangements typiques de stock de tuyère sont montrés à la Fig. 2.

Fig. 2 Schémas d'arrangements typiques de stock de tuyère