Mini hauts fourneaux : production de fer efficace pour opérations à petite échelle

Mini haut fourneau et production de fer

Les mini hauts fourneaux (MHF) sont généralement considérés comme des versions miniatures des hauts fourneaux (HF) conventionnels de grande taille. Ces fourneaux sont idéalement adaptés aux opérations à petite échelle. En fait, ils sont essentiellement les précurseurs des hauts fourneaux modernes conventionnels et ont donc fonctionné pendant une plus longue période. Les MHF sont présents dans de nombreux pays, mais la majorité se trouve en Chine, Inde, Brésil et Indonésie. La disponibilité des installations ainsi que la perfection atteinte dans cette technologie ont fait du MHF une voie acceptée pour la production de fer. De plus, de nos jours, la plupart des technologies de conception, chargement et exploitation qui sont devenues la norme pour les grands fourneaux modernes ont aussi été adoptées dans les MHF.

Le MHF est un fourneau à shaft vertical avec un creuset comme foyer. Les matériaux de charge composés de minerai de fer, coke ou charbon de bois utilisé comme agent réducteur ainsi que combustible, et fondants, généralement calcaire ou dolomite, sont chargés par le sommet. Le fourneau fonctionne sur le principe d'un réacteur à contre-courant. Au fur et à mesure que la charge descend dans le shaft, elle est préchauffée et pré-réduite par les gaz chauds montant du bas. Les gaz sont générés en introduisant un air chaud enrichi en oxygène par les tuyères. L'air chaud brûle l'agent réducteur, produisant les gaz réducteurs et la chaleur nécessaires au processus de réduction. Le matériau réduit fond pour former du HM (fer liquide) qui se sature en carbone et descend au foyer. Les fondants se combinent avec les impuretés des matériaux de charge pour produire une scorie fondue qui s'accumule au-dessus du fer liquide dans le foyer. Le fer liquide et la scorie sont périodiquement coulés.

Caractéristiques importantes d'un MHF

Le MHF fait preuve de flexibilité et compétitivité et convient à la production de fonte de base et de fonderie. Les caractéristiques importantes incluent à la fois la simplicité et l'économie. Autres caractéristiques :

• Technologie et équipement éprouvés.
• Conception et équipement plus simples que les HF conventionnels.
• Flexibilité du chargement : la charge peut varier de 100 % minerai en morceaux à tout mélange de morceaux et agglomérés (fritté ou pellets).
• Gamme d'agents réducteurs utilisables incluant coke de faible qualité et charbon de bois.
• Qualité du HM similaire à celle des HF conventionnels.
• Exploitation et maintenance similaires mais plus flexibles.
• Coût capital faible et coût de maintenance d'équipement réduit.
• Source économique et fiable de HM pour fonderies et mini-acieries en intégration directe avec ateliers de sidérurgie (four à induction, four à arc, four optimiseur d'énergie, parfois petit convertisseur à oxygène).

Comme le nom l'indique, la taille du MHF est petite avec des volumes internes de 35 à 600 m³. Les MHF sont généralement des fours à shaft bas avec une hauteur effective de moins de 12 m à environ 20 m. Les MHF atteignent normalement des productivités de 2 à plus de 3 t/m³/jour.

Caractéristiques importantes d'un MHF

Le MHF est un fourneau de type shaft avec une pile verticale superposée sur un foyer en creuset. Le complexe MHF comprend le fourneau proprement dit, fours à air chaud, sommet et système de chargement, plusieurs plateformes de maintenance, système de silos avec plusieurs silos pour matériaux de charge, plateforme tuyères et coulée, système de granulation de scorie, système gaz, système de nettoyage gaz de HF, systèmes d'approvisionnement matières premières et combustibles, alimentation électrique et autres utilités, station de soufflerie et système de circulation d'eau, etc. L'implantation est généralement très compacte avec la plupart des installations supportant la production de HM installées très près du fourneau. Un diagramme de flux typique d'un MHF avec usine de nettoyage à sec est montré Figure 1.

Fig 1 Diagramme de flux typique d'un MHF avec nettoyage gaz à sec

Le fourneau, réacteur de traitement, participe au système de production de fer de la manière suivante :

• Reçoit les matériaux de charge déjà préparés des stockages via le système d'alimentation.
• Reçoit l'air chaud généré par la soufflerie à la station de soufflage et chauffé dans les fours à air chaud. L'air est normalement enrichi en oxygène.
• Produit et livre HM et scorie liquide.
• Livre le gaz brut de HF au système de nettoyage.
• Reçoit eau de refroidissement et air comprimé via le système de refroidissement et utilités.
• Alimenté en électricité par le système électrique.
• Contrôlé par le système de commande et contrôle.

Le MHF a généralement une structure autoportante à quatre colonnes supportant 6 plateformes et pont de skip (en cas de chargement par skip) reposant directement sur fondation en béton armé. La coque est généralement en tôle d'acier structural de différentes épaisseurs.

Les profils typiques de deux MHF chinois sont donnés Tableau 1.

Tableau 1 Profils typiques de mini hauts fourneaux chinois
N°	Paramètre	Unité	Valeur
1	Volume effectif	m³	50	320
2	Diamètre foyer	m	2,25	4,9
3	Diamètre ventre	m	3,05	5,7
4	Diamètre gorge	m	2	3,7
5	Hauteur couche morte	m	0,35	0,6
6	Hauteur foyer	m	1,8	2,7
7	Hauteur ventre	m	2,3	2,9
8	Hauteur ventre (belly)	m	1	1
9	Hauteur shaft	m	5,3	9,2
10	Hauteur gorge	m	1,27	1,6
11	Hauteur effective	m	12,02	17,4
12	Angle shaft	°	84,27	83,79
13	Angle ventre	°	81,57	82,15
14	Rapport hauteur/diamètre		3,58	3,05
15	Nombre tuyères	Nb	6	12

Dans les MHF modernes, des blocs de carbone semi-graphite sont normalement utilisés pour le fond et des blocs de carbone coulé pour le foyer. Des blocs à bonne conductivité thermique et résistance à l'érosion protègent efficacement fond et foyer. Une structure en coupe céramique est généralement utilisée pour la paroi interne du foyer avec revêtement alumine. Des briques corindon et alumine sont utilisées respectivement dans la zone de la lumière de coulée et l'encoche à scorie. Le ventre, le belly et partiellement la zone stack sont normalement revêtus de briques alumine. Des briques chamotte haute densité sont utilisées dans la zone stack supérieure. La coque interne est généralement projetée avec des béton alumineux pour une épaisseur de 70 mm. Pour le revêtement interne de la gorge et couverture du sommet, on soude des ancrages et une couche de béton résistants à la chaleur et à l'usure. Selon la conception du revêtement, la durée de campagne attendue varie entre 5 et plus de 10 ans.

L'augmentation de la température d'air chaud est une des mesures majeures pour augmenter le volume d'injection de charbon pulvérisé et réduire le taux de coke. La conception du système d'air chaud est normalement faite pour maintenir la température à 1200 °C en utilisant le gaz de HF comme combustible. De nos jours, les MHF sont équipés de 3 fours à air chaud avec combustion tangentielle rotative au dôme.

Les tuyères sont alimentées en air chaud depuis le collecteur principal par tuyaux de soufflage. Tuyères et refroidisseurs sont en cuivre. Le nombre de tuyères dépend du volume utile et est conçu pour une vitesse de soufflage optimale, normalement 210-230 m/s en conditions d'exploitation.

Les MHF modernes ont une seule lumière de coulée d'où s'écoulent HM et scorie, séparés par une plaque d'écumage correctement placée dans la rigole HM sur la plateforme de travail. Certains MHF ont une encoche à scorie séparée. Le HM coule dans la poche ou le torpedo, la scorie vers le système de granulation.

Des staves de refroidissement sont utilisés dans les MHF avec 3 sections de staves à surface plane pour fond et foyer, et staves avec réfractaire inséré pour ventre et belly. Des staves à gradins sont utilisés pour la zone stack pour soutenir efficacement le revêtement en briques du stack inférieur et réduire l'ouverture de la coque pour augmenter l'étanchéité. Des staves en fonte nodulaire ferrite sont généralement utilisés pour stack moyen et inférieur. Un tube en acier sans soudure est coulé à l'intérieur du stave et une plaque nervurée sur la face chaude. Le matériau carbone est damé dans la rainure. Le refroidissement à l'eau est normalement utilisé pour le fond. Le système tuyères a un système de refroidissement dédié.

Autres équipements auxiliaires : (i) blindage gorge à 2 étages, (ii) caméra infrarouge gorge installée près de la ligne de charge pour détecter la distribution dans la gorge, (iii) dispositif de pulvérisation et refroidissement d'eau au sommet utilisé quand la température devient trop élevée.

Normalement, les MHF sont équipés de chargement par skip. Certains utilisent convoyeur à la place. Pour le chargement au sommet, les deux systèmes : (i) deux cloches avec distributeur, et (ii) système sans cloche (bell-less), sont utilisés. Les MHF modernes sont sans cloche.

Dans le cas du système sans cloche, généralement deux types de distribution : (i) type anneau (simple, multi-anneaux), et (ii) type point fixe. Pour le type anneau, le matériau de la trémie est chargé dans le fourneau par goulotte distributrice par anneau concentrique (simple) ou multi-anneaux concentriques. Pour la distribution simple anneau, la goulotte reste au même angle de basculement pendant le chargement. Pour multi-anneaux, l'angle peut changer plusieurs fois. Une distribution mono ou multi-cercles à chaque position d'angle est possible. Pour le type point fixe, la goulotte est positionnée selon l'angle désigné pour distribuer le matériau à un point désigné. Une distribution sectorielle est aussi possible. Normalement, l'azote est utilisé pour l'égalisation.

La hauteur de charge (ligne de charge) est contrôlée par deux sondes de charge. La détection continue du niveau est faite automatiquement pendant la production normale par les sondes qui s'abaissent automatiquement avec le niveau. La sonde se relève en atteignant le niveau désigné. Le niveau est indiqué en salle de contrôle.

La halle de coulée est généralement rectangulaire avec toiture acier pente 1:12 et poteaux béton. Des fenêtres de ventilation sont normalement prévues. Elle est équipée d'un canon à boue hydraulique et machine de forage lumière hydraulique/pneumatique. Elle est généralement entièrement dépoussiérée par système à manches.

Le gaz de HF généré est extrait par 4 prises, puis 4 montées, puis 2 montées qui se rassemblent en 1 descente vers le dépoussiéreur. Le gaz de sommet a une température normale de 100-300 °C, max 400 °C. Les deux montées au sommet sont équipées d'une vanne de purge chacune, généralement actionnée par vérin hydraulique. Le dépoussiéreur fonctionne par gravité et enlève les poussières grossières. Le gaz du dépoussiéreur est nettoyé soit en système humide (saturateur, épurateurs primaire et secondaire) soit en système sec (filtres à manches basse pression utilisant azote pour contre-soufflage).

L'exploitation du MHF est similaire aux HF conventionnels. Quand les matériaux de charge (charge ferreuse : fritté/pellets et minerai en morceaux, agent réducteur : charbon de bois ou coke HF, fondant : calcaire et dolomite) chargés au sommet descendent dans le stack, ils sont préchauffés par les gaz chauds montant du foyer et par l'air chaud introduit par les tuyères au bas du shaft, juste au-dessus du foyer.

L'air chaud brûle la plupart du coke chargé pour produire la chaleur requise et fournir le gaz réducteur qui enlève l'oxygène de la charge ferreuse. Le fer réduit fond et coule au fond dans le foyer. Le fondant se combine avec les impuretés pour produire une scorie, qui fond et s'accumule au-dessus du fer liquide. Périodiquement, le fer et la scorie sont évacués par la lumière de coulée.

De nos jours, les MHF sont équipés d'injection de charbon pulvérisé (PCI) au niveau tuyères. Les MHF modernes peuvent avoir un taux PCI jusqu'à 150 kg/t HM. Les paramètres d'exploitation courants sont donnés Tableau 2.

Tableau 2 Paramètres d'exploitation des MHF
N°	Paramètre	Unité	Valeur
1	Disponibilité fourneau	jours	330-350
2	Fritté dans charge	%	Environ 80
3	Taux minerai	kg/t HM	1600-1700
4	Taux combustible	kg/t HM	550-600
5	Taux coke HF	kg/t HM	420-450
6	Taux PCI	kg/t HM	120-150
7	Température soufflage	°C	1100-1200
8	Pression sommet	kg/cm²	0,3-1,0
9	Taux scorie	kg/t HM	300-380
10	Productivité HF	t/m³/jour	2-3
11	Enrichissement O₂ air soufflé	%	Environ 3

La consommation typique d'utilités au MHF est donnée Tableau 3.

Tableau 3 Consommation typique d'utilités dans les MHF
N°	Paramètre	Unité	Valeur
1	Air soufflé	Nm³/t HM	Environ 1800
2	Génération gaz HF	Nm³/t HM	Environ 900
3	Vapeur	kg/t HM	Environ 50
4	Électricité	kWh/t HM	Environ 120
5	Azote	Nm³/t HM	Environ 2
6	Air comprimé	Nm³/t HM	Environ 0,3

Le système d'automatisation des MHF a généralement les caractéristiques : fonctions fortes, haute performance, haute fiabilité, extensibilité facile, communication complète, implémentation et structure distribuée faciles, exploitation facile. Il a normalement un haut niveau d'anti-interférences électromagnétiques et anti-chocs, capacité de traitement modulaire et réflexion instantanée.

Le contrôle et la supervision de l'ensemble du MHF sont généralement effectués depuis la salle de contrôle située près de la plateforme de travail. Le système se compose normalement de postes de supervision, automate principal, alarmes, verrouillages et protections. Un poste distant est aussi généralement installé à la salle de contrôle manutention matières premières. Le système est relié par réseau. Un système de supervision est utilisé pour contrôler les paramètres, enregistrer les tendances et logger les alarmes. De nombreux instruments de terrain mesurent et contrôlent tous les paramètres. Parmi les mesures importantes : (i) pressions, (ii) températures, (iii) débits, (iv) niveau poussières gaz HF, (v) niveau de charge, angle goulotte, degré ouverture vanne, et (vi) pesée matériaux de charge, etc. La cabine de contrôle pour l'exploitation des équipements de la halle est située dans la halle à un endroit sûr d'où l'opérateur peut voir les équipements.

Le système de refroidissement à l'eau du MHF nécessite normalement de l'eau industrielle en continu pour : (i) refroidissement coque HF, (ii) refroidissement tuyères et refroidisseurs, (iii) nettoyage gaz si système humide, (iv) granulation scorie, (v) refroidissement système hydraulique sommet, (vi) refroidissement systèmes hydrauliques canon à boue/machine forage. Toute l'eau est recirculée. Un réservoir surélevé est normalement prévu pour les urgences en cas de panne d'électricité. Les paramètres principaux de tous les systèmes d'eau sont surveillés par le système de supervision depuis la salle de contrôle.