Magasin de chargement du haut fourneau : Gestion des matières premières pour la production de fonte

Magasin de chargement du haut fourneau

Un haut fourneau (HF) nécessite pour la production de fonte (HM) : (i) des matières premières ferreuses comme le sinter, les pellets et le minerai de fer calibré (aussi appelé minerai de fer dimensionné), (ii) des combustibles et réducteurs comme le coke de haut fourneau, le coke noix et le charbon pulvérisé, (iii) des matériaux fondants comme le calcaire, la dolomie et le quartzite, et (iv) des matériaux divers (aussi appelés « additifs ») comme le minerai de manganèse et le minerai de fer titanifère, etc. Tous ces matériaux, à l'exception du charbon pulvérisé qui est injecté au niveau des tuyères, sont chargés dans le fourneau par le sommet et gérés via un magasin de chargement.

Le système de chargement du haut fourneau se compose de deux zones principales : le système de magasin de chargement et l'équipement de chargement au sommet. L'objectif du système de chargement est de permettre le placement précis, constant, prévisible et contrôlé des matières premières à l'intérieur du fourneau. Au niveau du magasin de chargement, le pesage et le dosage des matières premières sont effectués pour leur acheminement vers l'équipement de chargement au sommet. Cet équipement assure la fonction de livraison des matières premières au sommet du fourneau et de leur distribution dans le fourneau. Le but du magasin de chargement est de livrer les quantités correctes de coke, de matériaux ferreux, de fondants et d'additifs au fourneau le plus rapidement possible pour maintenir le haut fourneau à sa performance optimale.

Le magasin de chargement est la zone où les différents types de matières premières sont stockés, puis mesurés dans l'ordre prescrit pour être livrés au sommet du haut fourneau. Le magasin de chargement typique du début des années 1900 était construit sous forme de fosse profonde dans le sol, et les wagons ferroviaires étaient déplacés au-dessus pour décharger les matières premières dans ces silos de stockage. Le magasin de chargement est divisé en trois sections de silos de stockage, généralement composés de silos à coke, de silos à matériaux ferreux, et de silos à fondants et additifs. Typiquement, chacun de ces types de silos est divisé en sections symétriques de part et d'autre de l'axe central du fourneau. Dans les années 1920 et jusqu'aux années 1950, la taille du magasin de chargement a augmenté et il a été construit comme une structure partiellement hors sol et partiellement souterraine pour accueillir plus de types de silos ainsi que des quantités plus importantes.

Évolution des méthodes de dosage et d'acheminement

Depuis le début des années 1900, la méthode de mesure des matières premières et de leur livraison au wagon chargeur se faisait au moyen d'un wagon peseur mobile qui se déplaçait sous les silos de matières. Un opérateur ouvrait manuellement la porte du silo et pesait la quantité requise de matière première, puis passait au silo suivant pour collecter la quantité nécessaire du matériau suivant. À mesure que la demande de production sur les hauts fourneaux augmentait dans les années 1980, le magasin de chargement à wagon peseur existant a été modernisé pour réduire le temps nécessaire à la collecte des matériaux. Les opérations des portes de silo ont été mécanisées et, dans de nombreux cas, les wagons peseurs ont été connectés à un système informatique qui suivait les matériaux par poids, offrant un contrôle et une précision améliorés et éliminant une quantité considérable de travail physique. L'ajout de trémies tampons entre le wagon peseur et les wagons chargeurs a permis à l'opérateur plus de temps pour collecter les différents matériaux sans retarder le mouvement des wagons chargeurs.

Types de magasins de chargement automatisés

Le magasin de chargement automatisé se présente normalement sous deux types distincts et différents. Le premier type consiste au remplacement du wagon peseur sous les silos de matières premières par un système d'alimentateurs et de convoyeurs à bande. Des convoyeurs séparés sont prévus pour chaque type de matière première (coke, matériaux ferreux, fondants et additifs, etc.) sur lesquels sont montées des rangées de silos de stockage, avec des alimentateurs vibrants pour décharger les matériaux de charge des silos vers les convoyeurs. Pour le coke et les matériaux ferreux, un crible vibrant est situé à la sortie de chaque convoyeur pour cribler le matériau et l'alimenter dans des trémies peseuses. Ce type de système continue d'alimenter les trémies peseuses en amont des wagons chargeurs. Une disposition typique d'un magasin de chargement automatisé pour un haut fourneau à wagon chargeur est montrée à la Fig. 1.

Fig. 1 Disposition typique d'un magasin de chargement automatisé avec wagon chargeur

Le second type de magasin de chargement automatisé est une grande structure de silos de stockage construite entièrement hors sol et à une certaine distance du haut fourneau. Cela est généralement fait pour les hauts fourneaux où un convoyeur à bande est utilisé pour transporter les matériaux de charge au sommet du fourneau au lieu des wagons chargeurs. La méthode de remplissage des silos de stockage se fait généralement par un système de convoyeur à bande. Les matières premières sont extraites des silos de stockage par des alimentateurs vibrants et des convoyeurs à bande vers des trémies de pesage. Ces trémies déchargent à leur tour le matériau sur le convoyeur principal au moyen d'un convoyeur de collecte. Les trémies de pesage sont programmées pour peser les matières premières dans le bon ordre sur le convoyeur principal menant au sommet du fourneau.

L'automatisation du magasin de chargement a considérablement augmenté la capacité de production, amélioré l'efficacité opérationnelle et éliminé les variances opérationnelles causées par les opérateurs et les équipements. Cependant, en pratique, un magasin de chargement moderne et automatisé peut être assez complexe. Le magasin lui-même peut être alimenté par des convoyeurs, qui à leur tour se déchargent sur des convoyeurs distributeurs pour répartir les matériaux vers divers silos. La disposition des convoyeurs et des équipements dans le magasin de chargement peut être organisée de nombreuses façons.

Le coke et les matériaux ferreux sont généralement criblés et un autre convoyeur évacue les fines. Les matériaux peuvent être échantillonnés, analysés et suivis par ordinateur, permettant à l'opérateur de contrôler précisément la variation chimique des matériaux d'entrée du fourneau. L'humidité du coke est surveillée et des corrections de pesage sont effectuées pour assurer le poids sec souhaité dans la charge. Cette surveillance à la fois des matériaux carbonés et des matières premières ferreuses permet un meilleur contrôle de la condition thermique du haut fourneau et aide à réduire les taux de combustible globaux. Une disposition simplifiée typique des équipements dans un magasin de chargement est présentée à la Fig. 2.

Fig. 2 Disposition simplifiée typique des équipements dans le magasin de chargement

Un diagramme de flux schématique typique d'un magasin de chargement est donné à la Fig. 3.

Fig. 3 Diagramme de flux schématique d'un magasin de chargement

Fonctions et installations typiques d'un magasin de chargement

Le magasin de chargement, conjointement avec le système d'équipement de chargement au sommet du haut fourneau, constitue l'installation clé pour obtenir la répartition de charge souhaitée dans un haut fourneau moderne. Le rôle du magasin de chargement est de permettre le dimensionnement multi-fraction du coke et de la charge ferreuse, y compris les matériaux sous-dimensionnés criblés ou non criblés, ainsi que le dosage flexible de différentes tailles de grains de ces matériaux. C'est la base pour l'application efficace du système de chargement au sommet, qui est le prérequis pour l'exploitation avancée du haut fourneau aujourd'hui.

Les fonctions du magasin de chargement sont : (i) recevoir divers matériaux depuis leurs unités de stockage ou de production respectives, principalement par convoyeurs ; (ii) fournir un stockage pour une durée suffisante ; (iii) effectuer le déchargement des matériaux de charge dans la séquence désirée et au débit requis pour répondre aux besoins du HF ; (iv) les préparer par criblage, et les placer en quantités et couches désirées sur le convoyeur pour les acheminer vers l'équipement (wagon chargeur ou convoyeur) qui transporte ces matériaux du magasin de chargement vers l'équipement de chargement au sommet du haut fourneau.

Les matières premières pesées sont collectées en mode batch gouverné par un programme de charge et livrées au sommet du fourneau soit par wagon chargeur, soit par convoyeur à bande. La taille du haut fourneau, ses exigences de productivité et le plan de site disponible ont un impact sur la détermination du moyen (wagon chargeur ou convoyeur à bande) pour acheminer les matières premières au sommet du haut fourneau. Les matières premières sont ensuite placées dans le fourneau par l'équipement de chargement au sommet, qui est également contrôlé par le programme de charge.

Le magasin de chargement du haut fourneau joue un rôle très important dans l'exploitation efficace du haut fourneau, car la production du niveau désiré de fonte dans le haut fourneau dépend largement de la qualité, de la constance et de la quantité des matières premières et de la séquence de leur alimentation.

Les matériaux de charge sont reçus dans le magasin de chargement par une maison de jonction. Le coke de HF est généralement manipulé par deux convoyeurs (un de secours) de largeur et capacité requises. De même, les matériaux de charge ferreux sont normalement manipulés par deux convoyeurs (un de secours) de largeur et capacité requises. Les fondants et additifs sont généralement manipulés par un convoyeur de réserve de largeur et capacité requises. Le magasin de chargement possède généralement un certain nombre de silos de stockage de capacité totale requise pour chacun des matériaux de charge.

Le coke et les matériaux ferreux sont criblés dans des cribles de capacité requise pour éliminer les fines. Les cribles vibrants sont normalement utilisés à cet effet. Pour les fondants et additifs, il n'y a normalement pas de cribles vibrants mais seulement des alimentateurs pour le déchargement des silos et le placement des matériaux sur le convoyeur. Pour le coke et les matériaux ferreux, dans certains hauts fourneaux, une disposition à double criblage est prévue. Pour le criblage du coke, des tamis à plaques perforées sont généralement utilisés. Le criblage des matériaux ferreux se fait généralement par des tamis à grille.

Le matériau criblé est acheminé vers le convoyeur incliné pour la manutention de la charge vers le sommet via un convoyeur horizontal. Chaque matériau est alimenté simultanément par deux peseuses à trémie selon le programme de charge du fourneau prédéterminé. Les convoyeurs ou wagons chargeurs pour la manutention de la charge vers le sommet ont la capacité nécessaire et fonctionnent en continu. Dans le cas des convoyeurs, les matériaux sont positionnés sur le convoyeur en lots séparés à certains intervalles et dans une certaine séquence selon le programme. Un système automatique est normalement prévu pour le dosage, le pesage et l'alimentation de la charge au sommet du fourneau. Tous les équipements du magasin de chargement sont dimensionnés sur la base de calculs comprenant la philosophie de contrôle ainsi que les chronogrammes de temporisation.

Le magasin de chargement est également équipé de tous les équipements nécessaires de contrôle de la pollution pour maîtriser les poussières selon les normes en vigueur. L'air d'échappement est généralement dirigé vers l'usine de nettoyage de l'air de capacité requise pour le nettoyage avant son rejet dans l'environnement. L'usine de nettoyage de l'air est généralement équipée de précipitateurs électrostatiques. La teneur en poussières de l'air est normalement réduite à 0,1 g/m³. Les poussières collectées sont généralement agglomérées dans l'usine de granulation pour leur utilisation dans l'usine de sinter.

Considérations de conception pour la planification d'un magasin de chargement pour un grand haut fourneau

Les différentes étapes à suivre pour le dimensionnement des équipements du magasin de chargement sont les suivantes :

• La capacité de fonte en tonnes/jour est déterminée en fonction du volume utile et de la productivité du haut fourneau.
• Les qualités et types de matières premières utilisés, tels que minerai de fer calibré, sinter, pellets, coke, coke noix, calcaire, dolomie, minerai de manganèse et autres matériaux comme le minerai de fer titanifère à charger dans le haut fourneau sont déterminés. Dans les grands hauts fourneaux, on utilise normalement deux tailles de sinter : taille normale de 10 à 30 mm et petite taille de 5 à 10 mm. Pour le coke de haut fourneau également, deux tailles sont généralement utilisées : 50 à 75 mm pour le chargement central et 25 à 50 mm pour le chargement périphérique. Le coke pour le chargement périphérique est chargé sur le convoyeur à bande en premier, suivi immédiatement par le coke pour le chargement central. L'équipement à cloche rotative indexe depuis les parois du HF vers le centre du fourneau et distribue le coke pour le chargement périphérique vers les parois et le coke pour le chargement central vers le centre du fourneau selon les besoins. La taille du minerai de fer calibré est normalement de 10 à 30 mm. La taille des pellets est généralement de 8 à 16 mm. La taille du coke noix est habituellement de 8 à 25 mm. Les tailles du calcaire, de la dolomie et du quartzite sont dans la gamme de 6 à 30 mm.
• Pour avoir de la flexibilité dans le chargement de la charge ferreuse, les trois matières premières ferreuses sont considérées dans les calculs avec un ratio typique de sinter : minerai : pellet de 70:15:15. Le calcul doit être effectué en tenant compte de la qualité des matériaux ferreux et de leur consommation spécifique attendue.
• Une valeur pour le taux de combustible total (kg/t HM) doit également être considérée. Puisque trois combustibles sont utilisés dans le haut fourneau, trois alternatives doivent être envisagées : (i) une valeur pour le taux de coke sans injection de charbon pulvérisé, (ii) une valeur pour le taux de coke avec injection de charbon pulvérisé, et (iii) un taux pour le chargement de coke noix.
• La séquence de chargement doit être prise en compte lors de la planification des installations du magasin de chargement. Habituellement, une charge comporte deux lots. Le lot 1 comprend le coke pour le chargement central et le chargement périphérique, tandis que le lot 2 comprend les matériaux ferreux, les fondants, le coke noix et les additifs.
• L'épaisseur des couches de minerai et de coke (en mm) au diamètre de la gueulard du HF sont des considérations importantes dans la conception des installations du magasin de chargement. Normalement, la couche de minerai est considérée à 700 mm. Pour le coke, on considère généralement 700 mm en considérant une charge « tout coke ». Cependant, en cas d'injection de charbon pulvérisé, l'épaisseur de la couche de coke est normalement considérée à 500 mm. De ce fait, le volume des matières premières revêt également une importance. Comme la production de fonte dépend du poids de la matière première chargée, le nombre de charges par jour à charger dans le haut fourneau devient un facteur important dans la conception du magasin de chargement. Le nombre de charges détermine également le temps disponible dans le magasin de chargement pour former chaque lot de la charge.
• Le nombre de silos et leur dimensionnement dans le magasin de chargement dépendent du volume de stockage nécessaire (basé sur le nombre de jours de consommation) pour chacune des matières premières.
• Des silos doivent également être prévus pour les fines générées dans le magasin de chargement après criblage.
• Le « taux de rattrapage » ou « facteur de remplissage forcé » est défini comme le ratio entre le nombre de charges disponibles par jour basé sur la conception des équipements du magasin de chargement et le nombre de charges requises par jour pour la production cible de fonte. Une valeur typique considérée pour ce ratio est généralement de 1,3.
• En fonction du temps disponible pour la formation de chaque lot pour le coke ainsi que pour les matériaux ferreux, le nombre total d'équipements (alimentateurs vibrants, cribles vibrants, trémies peseuses, etc.) fonctionnant simultanément sur le total installé est déterminé.
• L'élaboration d'un chronogramme tenant compte du fonctionnement de l'équipement de chargement au sommet (cloche rotative) et du temps de fonctionnement de tous les équipements du magasin de chargement est réalisée. Les chronogrammes sont préparés après avoir calculé le temps de fonctionnement de tous les équipements du magasin de chargement et le temps total requis pour chaque lot. Deux chronogrammes sont normalement préparés, généralement un au « taux normal » et l'autre au « taux de rattrapage ».
• Le dimensionnement de tous les équipements comme les portes, alimentateurs vibrants, cribles vibrants, trémies peseuses, convoyeurs à bande, y compris le convoyeur de chargement principal alimentant finalement les trémies de réception de l'équipement de chargement au sommet du haut fourneau, est effectué. Les équipements sont dimensionnés en fonction de l'option de chargement de coke préférée, c'est-à-dire avec ou sans injection de charbon pulvérisé, et une flexibilité est prévue pour l'autre option dans la conception.

Gestion de la charge dans le magasin de chargement et au sommet du fourneau

Actuellement, les hauts fourneaux modernes sont installés avec un certain nombre de variations dans les matériaux de charge, il devient parfois nécessaire d'utiliser environ 50 types de matériaux alternatifs dans le système de chargement. L'opérateur doit configurer la matrice de chargement en tenant compte d'un ensemble de règles basées sur l'usine programmées dans le logiciel d'application.

La complexité de la matrice de l'opérateur du magasin de chargement est généralement validée par différentes règles de validation avant le téléchargement vers le programme de chargement actif, en tenant compte des entrées erronées ainsi que de toutes les conditions anormales dans le magasin de chargement. La matrice de l'opérateur peut être téléchargée vers la matrice active à tout stade de l'opération. Du coke supplémentaire peut être chargé à tout stade de l'opération. Tout lot peut être distribué en 11 positions dans le fourneau et cette distribution est paramétrée sur l'écran IHM de la matrice du magasin de chargement par l'opérateur.

Il existe plusieurs jeux de matrices de secours pour différentes conditions de fourneau intégrés dans le logiciel, ce qui ajoute à la flexibilité opérationnelle. Il y a aussi la flexibilité de prendre n'importe quel matériau dans n'importe quel silo ; par conséquent, le magasin de chargement peut fonctionner dans des conditions de trémie inactive en ajustant l'admission de matériau dans les trémies actives. Les trémies peseuses peuvent être sélectionnées automatiquement lors de l'exécution de tout lot. Un système de remplissage au sommet entièrement automatisé du magasin de chargement par le système de manutention des matières premières permet au système d'alimentation du haut fourneau d'être une opération fluide.

Selon la conception du magasin de chargement, le système peut être exploité en philosophie « pesée à l'entrée » ou « pesée à la sortie ». Le logiciel prend en charge la compensation de l'erreur de pesage dans la séquence de remplissage dès le lot suivant pour ce matériau particulier. L'opérateur peut également sélectionner la philosophie de chargement en sandwich lors du déchargement des matériaux des trémies peseuses. Un contrôle défini par l'opérateur de l'intervalle entre deux lots consécutifs peut être saisi pour optimiser le temps de transport de chargement au minimum et éviter le déclenchement du convoyeur principal de chargement.