Brevet FR2483950A1 — publié le 19811211

PROCEDE DE CONDUITE D'UN HAUT FOURNEAU SIDERURGIQUE La présente invention se rapporte à l'élaboration de la fonte au haut fourneau sidérurgique et concerne plus précisement un nouveau mode de conduite de l'appareil afin d'améliorer la mise au mille du coke enfourné par rapport aux types de conduite connus ou habituels. On sait qu'il existe plusieurs possibilités pour diminuer la consommation de coke au haut fourneau ; par exemple une augmentation de la température du vent soufflé aux tuyères, ou une suroxygénation du vent associé ou non à une injection d'hydrocarbures. Toutefois, des études approfondies sur les mécanismes de fonctionnement des hauts fourneaux ont montré que de telles mesures demeurent soumises à des limites thermodynamiques liées aux caractéristiques physicochimiques de la matière carbonée solide (habituellement du coke) enfournée avec la charge ferrifère et destinée à réduire les oxydes de fer (voir notamment l'article de Messieurs A. RIST et N. MEYSSON - "Recherche graphique de la mise au mille minimale du haut fourneau à faible température de vent", paru dans la Revue de Métallurgie, Février 1964, page 121 à 138). La présente invention a pour but d'améliorer la mise au mille du coke (plus généralement la matière carbonée solide) en reculant ces limites thermodynamiques. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de conduite d'un haut fourneau sidérurgique caractérisé en ce que l'on enfourne, conjointement avec la charge ferrifère, au moins deux catégories de matières solides réductrices des oxydes de fer, différentes par leur réactivité : une premi ère categorie constituée par du coke sidérurgique usuel et une seconde catégorie formée par une substance carbonée présentant une température de début de gazéification inférieure à celle du coke de la première catégorie et dont la proportion pondérale par rapport à ce dernier est au moins égale à 1 % et de préférence inférieure à 10 %. Par "substance carbonée", qualifiant la seconde catégorie, on entend des produits comme le coke, le charbon de bois, des charbons, etc... et de façon plus générale, toute matiere carbonée solide susceptible de pouvoir réduire les oxydes de fer dans les conditions opératoires d'un haut fourneau sidérurgique. Pour des raisons de commodité de langage et de clarté du texte, on assimilera, dans la suite, la substance carbonée d'appoint formant la seconde catégorie à du coke, que l'on qualifiera de "réactif" ou de "plus réactif" afin de le distinguer de celui de la première catégorie, étant entendu que ces qualificatifs signifient que la substance concernée présente un "seuil de réactivité" moins élevé que le coke sidérurgique usuel constituant la première catégorie. L'expression "seuil de réactivité" est précisée ci-après. On sait qu'en marche normale, le haut fourneau présente, sur la hauteur, un profil thermique caractéristique en trois zones étagées depuis la région des tuyères jusqu'au gueulard : deux zones d'extrémité, respectivement inférieure et supérieure, dans lesquelles les echanges thermiques entre les gaz ascendants et les solides qui descendent sont très intenses, et une zone médiane à température moyenne, communément appelée "zone de réserve thermique", ou gaz et solides circulant à contre-courant sont pratiquement en équilibre thermique, mais où s' opère néanmoins la plus grande part de la réduction indirecte des oxydes de fer par l'oxyde de carbone. On sait également que la température de cette zone de réserve est fixée par le seuil de réactivité du coke utilisé, c'est-à-dire par la température minimale à laquelle le carbone du coke réagit avec le gaz carbonique selon la réaction très endothermique de gazéification du coke C + C02 = 2CO (1) communément appelee réaction de régénération de l'oxyde de carbone" ou "réaction de réactivité du coke". Ainsi, dans le cas des cokes sidérurgiques usuels, la température de la zone de réserve est située entre 900 et 1 000C environ. Toutefois, cette température n'est pas toujours optimale du point de vue de la réduction des oxydes de fer enfournés. C'est le cas notamment pour les agglomérés dont il est fait usage de façon pratiquement généralisé et dont la bonne réductibilité (en particulier pour les agglomérés "hématite") s'accorderait d'une température en zone de réserve bien plus basse, en l'occurence voisine de 8500C. Comme on l'aura sans doute déjà compris, l'idée à la base de l'invention réside dans une introduction dans le haut fourneau d'un coke plus réactif chimiquement que le coke sidérurgique habituellement utilisé de manière à abaisser la température de la zone de réserve et ainsi rapprocher celle-ci de la valeur optimale pour la réduction de l'aggloméré enfourné. Les calculs, confirmés par l'expérience, ont montré que l'on pouvait ainsi réaliser une économie, sur la consommation totale du coke, de l'ordre de 20 à 30 Kg/tonne de fonte, par rapport à une conduite optimale de l'appareil dans les conditions habituelles. Corrélativement, le taux d'oxydation du gaz réducteur dans la zone isotherme, défini par le rapport des concentrations C02/CO + C02 et imposé en marche optimale par l'équilibre de Boudouard (1), passe alors d'une valeur habituelle de 0,25 - 0,30 (pour 900 - 1 000 C) à une valeur nettement supérieure, de l'ordre de 0,35, voire plus, lorsque la température est ramenée autour de 8500C ou en-dessous. Un tel résultat traduit bien entendu une meilleure utilisation de l'oxyde de carbone en tant qu'agent réducteur. La difficulté majeure pour l'application industrielle de l'idée à la base de l'invention, réside toutefois dans la possibilité de trouver un coke réactif qui soit un compromis satisfaisant entre des exigences contraires de bonne réactivité chimique d'un côte et de bonnes caractéristiques mécaniques de l'autre, dont on connait l'importance dans les zones critiques du haut fourneau (tuyères, étalages, creuset). Cette difficulté est élégamment levée grâce à la présente invention qui consiste à enfourner deux qualités distinctes de coke : le coke sidérurgique accompagné, en quantité moindre, par un coke plus réactif. La realisation de l'invention s'opère sans problèmes particuliers, dans la mesure où sont prises en compte et respectées les indications suivantes. En toute rigueur, la réactivité plus élevée du coke d'appoint ne fixe que la température minimale susceptible d'être atteinte par la zone de réserve thermique, et qui ne peut être effectivement atteinte que si, en outre, ce coke est en quantité suffisante eu égard au volume de gaz présent dans le four. A priori, il ne peut être exclu qu'une telle quantité correspond en fait à la totalité du coke devant être enfourné. Il est clair qu'une situation de ce type serait difficilement compatible avec une bonne marche de l'appareil, le coke étant dans ce cas peu approprié à assurer correctement la tenue mécanique du lit de fusion. En fait, les inventeurs ont pu montrer qu'il en va différemment et qu'il suffit d'une quantité relativement faible de coke à réactivité élevée, de l'ordre de quelques dizaines de Kg par tonne de fonte environ, pour pouvoir contrôleur le profil thermique et abaisser la température de la zone de réserve à sa valeur minimale. Dans ces conditions, le coke le plus réactif est complètement gazéifié selon le schéma réactionnel (1) avant d'arriver dans les régions sensibles du haut fourneau, et on peut être moins exigeant quant à ses propriétés mécaniques, puisque le coke, de type classique, prend ensuite le relais. La quantité spécifique de coke "réactif" enfourné ne doit pas être inférieure à 5 Kg environ par tonne de fonte car, en-deça, l'influence de sa réactivité sur le refroidissement des gaz peut être considérée comme négligeable. Au-dessus de cette valeur, l'utilisateur est libre de porter son choix sur une valeur quelconque. Il est conseillé toutefois, conformément aux indications données auparavant, d'éviter une proportion trop importante qui ne se justifie plus au plan thermochimique, mais dont le risque de voir naître en contrepartie, dans les parties basses du haut fourneau des diffi cultés de fonctionnement ayant pour origine une mauvaise résistance mécanique de la charge, s'accroît. A cet égard, une proportion de 40 Kg environ par tonne de fonte permet pratiquement à coup sûr à la fois un fonctionnement satisfaisant de l-'appareil et l'obtention d'une température de zone de réserve pratiquement égale à celle du seuil de réactivité du coke d'appoint utilisé. Compte tenu des quantités spécifiques du coke utilisé ordinairement au haut fourneau et qui se situent en règle générale autour de 400-500 Kg/t fonte, selon que l'on pratique ou non une injection de combustible auxiliaire aux tuyères, on voit donc que la proportion pondérale de coke réactif par rapport à la masse de coke usuel enfourné doit être comprise entre 1 Z et 10 Z. On peut d'ailleurs noter qu'une quantité située entre 10 et 20 Kg de coke réactif par tonne de fonte suffit en règle générale, compte tenu des seuils de réactivité des cokes performants offerts sur le marché (par exemple 8500C environ) à couvrir une plage de températures en zone isotherme allant corrélativement de un peu moins de 9000C à près de 8500C environ. Or, la plupart des agglomérés connus et utilisés se trouvent dans une gamme de réductibilité dont la température optimale à cet égard se situe précisément dans la plage de valeurs indiquée ci-avant. On voit donc qu'il est possible, dans le cadre de l'invention, de pouvoir moduler la proportion du coke "réactif" selon la nature de l'aggloméré enfourné de façon à ajuster la température de la zone de réserve à une valeur optimale du point de vue réductibilité dudit aggloméré, et ceci sans avoir nécessairement à atteindre la température minimale correspondant à celle du début de gazéification du coke, tout en obtenant une amélioration de mise au mille du coke total que l'on peut chiffrer autour de 5 Z. A titre illustratif, des essais au laboratoire ont montré qu'avec un aggloméré hématite et un coke-à seuil de réactivité situé au voisinage de 8500C, une quantité de l'ordre de 15. Kg/t fonte de ce coke suffit pour atteindre dans la zone de réserve une température de 860 à 87O0C environ, optimale dans ce cas, avec comme résultat une économie de la consommation en coke sidérurgique usuel de 25 Kg/tonne fonte environ par rapport à une marche idéale du haut fourneau. Ces résultats de laboratoire ont été confirmés par des essais comparatifs à l'échelle industrielle sur un haut fourneau de 9 m de diamètre au creuset et ayant une production de 4 000 t fonte par jour. Les données et résultats obtenus sont consignés dans le tableau ci-après où la colonne de gauche correspond à une marche de référence et la colonne de droite à une marche selon le procédé de l'invention. - - ~ - . - r Paramètres Référence Coke "réactif" Coke usuel (/t fonte) 405 Kg 373 Kg Coke réactif C/t fonte) o Kg 15 Kg (Electrolor) \m S Fuel auxiliaire injecté 70 Kg 70 Kg o aux tuyères C/t fonte) Temp. vent aux tuyères 1 2500C 1 2500C Vol. vent aux tuyères 1 164 Nm3 1 125 Nm3 Analyse fonte Analyse fonte Si (en poids) 0,7 Z 0,7 Z C " " 4,6 Z 4,6 Z Mn " " 0,8 Z 0,8 Z Température fonte 1 4800C 1 4800C Analyse du gaz de gueulard X C02 C03 (en volume) 18,2 Z 19,6 Z S CO " " 23,2 X 21,6 Z t N2 " " 54,8 Z 54,9 Z 2 " " 3,8 Z 3,9 Z Tempo. Gaz Gueulard 1500C 1300C Temp. Zone de réserve 9700C 8500C Degré d'oxyd. Gaz Gueulard =44 Diff. de mise au mille -- 17 Kg Coke C/t fonte) Amélioration mise au mille --- > 4 Z On observe (ligne 2) que 15 Kg de coke réactif, soit 4 % de la masse de coke usuel (ligne 1) suffisent à faire baisser la température de la zone de réserve (ligne 19) de 9700C à une valeur de 8500C, correspondant au seuil de réactivité du coke réactif utilisé, lequel est disponible dans le commerce sous la désignation "Electrolor" (produit par la firme "Les Houillères du Bassin de Lorraine"). Dans ces conditions, la quantité spécifique de coke enfourné passe de 405 Kg/t fonte (essai de référence) à 388 Kg/t fonte en coke global (coke usuel et coke réactif confondus), d'où une diminution de la mise au mille du coke global de 17 Kg/t fonte (ligne 21), c'est-à-dire une amélioration dans une proportion pondérale supérieure à 4 Z (ligne 22). On constate par ailleurs (ligne 20) une augmentation du degré d'oxydation du gaz sortant du gueulard de 0,04, ce qui prouve, comme on l'a déjà dit mais de façon assez modeste dans cet essai, que l'oxyde de carbone est mieux utilise en tant qu'agent réducteur de la charge. Corrolairement, la température de sortie de ce gaz chute de 200C (ligne 18). On note enfin une réduction de 39 Nm3 (soit 3,4 Z environ) du volume de vent devant être soufflé aux tuyères (ligne 4). Tous les autres paramètres demeurent ou sont maintenus invariants. En ce qui concerne maintenant le mode d'enfournement du coke, on peut dire que toute liberté est donnée à I'opérateur. Il a pu être demontré en effet que les deux catégories différentes de coke à enfourner conjointement dans l'appareil n'ont pas à être obligatoirement conditionnées, par exemple en un mélange homogène, de sorte que l'invention peut être mise en oeuvre à partir d'un mode de chargement quelconque des cokes, soit sous forme d'une composition préformée, soit en enfournements distincts, en couches séparées, soit encore les deux à la fois. En outre, il est clair que l'invention ne se limite pas nécessairement l'enfournement de deux catégories de coke uniquement, mais peut s'étendre le cas échéant à trois, quatre ... et de façon plus générale à une pluralité de catégories différentes de coke, de manière à former au sein de l'appareil un ensemble présentant une gradation de seuils de réactivité. Par ailleurs, l'approvisionnement en coke réactif ne pose en principe aucune difficulté majeure. Des cokes dits "à haute réactivité" sont en effet disponibles sur le marché, notamment sur le marché de l'électro- métallurgie. On peut citer à cet égard le coke commercialisé par les Houillères du Bassin de Lorraine sous la dénomination "Electrolor" qui a éte utilisé au cours de la campagne d'essais industriels (voir tableau) et qui semble tout-à-fait adapté à la mise en oeuvre de l'invention. D'une façon générale, tous les cokes produits à partir de charbons flambants traités par exemple au four tournant, sont susceptibles de convenir. On prendra soin toutefois de sélectionner, parmi les cokes dits à "haute réactivité", ceux qui présentent effectivement un "seuil de réactivité" à basse température. D'autre part, il doit être rappelé que l'invention n'est pas limitée à l'emploi de coke actif, mais s'étend à toute matière carbonée solide, ayant des propriétés réductrices à l'égard des oxydes de fer dans les conditions opératrices spécifiques du haut fourneau sidérurgique. A ce titre, on peut par exemple utiliser du charbon de bois, ou même des matières à l'état brut, comme des charbons, de préférence maigres (anthracite, etc ...) pour éviter la formation de goudrons dans les gaz, ou du bois, etc ... et, de manière générale, tout produit de ce type capable de se transformer par carbonisation au cours de son transit dans la région supérieure du haut fourneau, en agent chimique réducteur à bas seuil de réactivité, avant de pénétrer dans la zone isotherme. Il doit être encore noté que, lorsque la matière utilisée est du coke, on a avantage de choisir un produit de granulométrie plus faible que celle du coke usuel et, de préférence, comprise entre 7 et 20 mm. La raison essentielle réside dans le fait que le coke actif étant un produit d'appoint, donc apporté en quantité relativement faible par rapport à celle du coke usuel (entre 1 et 10 Z environ en poids), une granulométrie réduite assure à la fois une meilleure homogénéité et une plus grande surface spécifique de contact facilitant les échanges avec les gaz. Enfin, si l'invention a eté conçue initialement pour les agglomérés, elle n'en n'est pas moins d'application générale. à toute charge ferrifère destinée à être réduite dans un haut fourneau sidérurgique et s'étend à de nombreuses variantes de mise en oeuvre dans la mesure où celles-ci consistent essentiellement en une substitution plus ou moins partielle d'un coke sidérurgique habituel par un coke (au moins un) présentant un seuil de réactivité à une température inférieure. REVENDICATIONS 1. Procédé de conduite d'un haut fourneau sidérurgique, caractérisé en ce queN l'on enfourne, conjointement avec la charge ferrifère, au moins deux catégories de matières solides, réductrices des oxydes de fer, différentes par leur réactivité : une première catégorie constituée par du coke sidérurgique de type habituel et une seconde catégorie formée par une substance carbonée présentant une température de début de gazéification inférieure à celle du coke de la première catégorie, et dont la proportion pondérale par rapport à la quantité de coke de la première catégorie est au moins égale à 1 % environ. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la proportion pondérale de substance carbonée de la seconde catégorie par rapport à la quantité de coke de la première catégorie n'excède pas 10 Z environ. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la propor- tion pondérale de substance carbonée de la première catégorie, par rapport à la quantité de coke est comprise entre 2 et 5 Z environ. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la substance carbonée de la deuxième catégorie est du coke présentant un seuil de réactivité inférieur à celui du coke usuel de la première catégorie. 5. Procédé selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la substance carbonée de la deuxième catégorie est du charbon de bois. 6. Composition de matières solides à propriétés réductrices à l'égard des oxydes de fer et destinée à être enfournée dans un haut fourneau sidérurgique, caractérisée en ce qu'elle est constituée par un mélange de coke sidérurgique usuel et d'au moins une substance carbonée présentant une température de gazéification inférieure à celle du coke usuel et dont la proportion pondérale par rapport à la quantité de coke usuel est comprise entre 1 et 10 Z environ et de préférence entre 2 et 5 X environ. 7. Composition selon la revendication 6, caractérisée en ce que la substance carbonée est du coke présentant un seuil de réactivité inférieur à celui du coke sidérurgique usuel. 8. Composition selon la revendication 6, caractérisée en ce que la substance carbonée présente une granulométrie comprise entre 7 et 20 mm environ.