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RÉSUMÉ
Cet article décrit les rôles fondamentaux du coke dans le haut-fourneau : support mécanique de la charge, agent de perméabilité, régénérateur du gaz réducteur CO et production d’énergie aux tuyères. La résistance mécanique est l’un des rôles prépondérants. Les mécanismes de dégradation mécanique du coke sont présentés ainsi que leurs conséquences sur la marche du haut fourneau. L’importance de la stabilisation mécanique du coke entre la cokerie et le haut fourneau est également largement décrite. La gazéification partielle du coke par le CO2 (qui consomme 35 à 40 % du coke chargé) fait l’objet d’un essai normalisé (test CSR) décrit dans l’article. L’importance de l’indice CSR du coke sur la marche du haut fourneau est mise en évidence sur des données de marche de hauts fourneaux.
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Daniel ISLER : Directeur adjoint du Centre de Pyrolyse de Marienau, - Responsable des Recherches, - Centre de Pyrolyse de Marienau, Parc d’activités Forbach Ouest, Forbach, France
INTRODUCTION
La valeur d'usage d'un coke métallurgique pour le haut-fourneau résulte à la fois de ses propriétés mécaniques, chimiques et physico-chimiques.
La consommation du coke dans le haut-fourneau peut varier significativement en fonction de sa qualité et la marche du haut-fourneau peut être grandement affectée par un coke de mauvaise qualité. La fabrication de coke métallurgique est onéreuse : les charbons à coke sont plus chers que les charbons d’injection et une cokerie représente un investissement très élevé amorti sur une durée très longue avec un coût de maintenance élevé. Aujourd’hui, l’espérance de vie d’une batterie de fours à coke moderne est de 50 ans, moyennant une maintenance suivie et des travaux de rénovation partielle des cellules de fours.
Un coke mécaniquement résistant à froid et après gazéification partielle par le CO2 à haute température (par la réaction de Boudouard) permettra un taux d’injection élevé de charbon pulvérisé aux tuyères du haut-fourneau (plus de 200 kg/t de fonte) et une faible consommation de coke (moins de 300 kg/t de fonte). Globalement, le taux de réducteur charbon d’injection + coke sera inférieur quand le coke possède une résistance mécanique élevée à froid et à chaud après gazéification partielle.
Après une description succincte des rôles du coke dans le haut-fourneau, l’article insiste sur l’importance primordiale de la stabilité granulométrique du coke soumis à des contraintes mécaniques entre la cokerie et le haut-fourneau. Le coke chargé doit impérativement être mécaniquement stabilisé pour une bonne perméabilité du haut-fourneau.
Les propriétés thermochimiques, en particulier la réaction de Boudouard, sont mesurées par des essais de laboratoire. Un test a été normalisé ISO, il y a une dizaine d’années, à partir d’un essai développé au Japon (test CSR) dans les années 80. Cet essai est présenté dans l’article et l’indice CSR du coke mis en corrélation avec les paramètres de marche des hauts-fourneaux. Aujourd’hui, il est communément admis qu’un fort taux d’injection de charbon pulvérisé aux tuyères ne peut être atteint que si le CSR du coke est élevé. Les corrélations présentées dans l’article le mettront en évidence.
La fabrication du coke fait l'objet d'un article spécifique [M 7 340].
Un glossaire des termes utilisés et un tableau de sigles sont présentés en fin d'article.
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3. Conclusion
Les propriétés physico-chimiques et mécaniques du coke ont une influence capitale sur la bonne marche du haut-fourneau.
La perméabilité du haut-fourneau dans les zones chaudes détermine les performances de production de l'appareil. Cette perméabilité est favorisée par l'emploi d'un coke poreux, de granulométrie homogène (distribution resserrée), capable de rester stable mécaniquement, sans dégradation importante, après de fortes sollicitations à des températures élevées et des agressions chimiques.
Une granulométrie très resserrée et une grande résistance mécanique sont d'autant plus nécessaires que l'injection de charbon aux tuyères du haut-fourneau est élevée.
À ce titre, une bonne stabilisation mécanique du coke est indispensable avant son chargement au haut-fourneau pour éviter sa fragmentation dans la partie haute du haut-fourneau.
Par ailleurs, le coke doit résister à la réaction de Boudouard qui consomme du carbone (25 à 30 % du coke à faible taux d'injection de charbon, 35 à 40 % à fort taux d'injection), sans pertes exagérées de ses caractéristiques granulométriques et cohésives. L’indice CSR du coke est maintenant un standard pour de nombreux hauts-fourneaux, surtout à fort taux d’injection. Des valeurs de plus en plus élevées du CSR sont recherchées. Mais, a priori, au-delà d’une certaine valeur (peut-être aux alentours de 65 %) l’influence sur la marche du haut-fourneau est moins claire.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - The Lump size of coke and factors determining it. - Part. I : BCRA Quaterly, n° 24, juil. 1989 ; part. II : BCRA Quaterly, n° 25, oct. 1989 ; part. III : BCRA Quaterly, n° 26 (janv. 1990).
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(2) - SANNA (D.), PAOLETTI (R.) - Synthèse des études effectuées à l'ATS sur la dégradation et les essais mécaniques des cokes. - CIT, n° 6, CDS (1975).
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(3) - PAOLETTI (R.) - Contribution à l'étude de la dégradation mécanique du coke. - CIT, n° 5, CDS (1975).
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(4) - ECHTERHOFF (H.) - Untersuchungen über die Koksfestigkeitsprüfung bei höhere Temperaturen. - Stahl und Eisen, 20, p. 992 (juil. 1961).
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(5) - JEULIN (D.), STEILER (J.M.) - Caractérisation du comportement mécanique du coke à température ambiante. - Revue de métallurgie (fév. 1983).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Combustibles minéraux solides. Détermination de l'indice de matières volatiles du charbon et du coke. - NF M03-004 - (février 2003)
-
Combustibles minéraux solides. Dosage de l'azote. - NF M03-018 - (janvier 2003)
-
Analyse granulométrique du coke. - NF M03-021 - (août 1967)
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Combustibles minéraux solides. Détermination de l'humidité du coke. - NF M03-028 - (janvier 2003)
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Combustibles minéraux solides. Détermination de la fusibilité des cendres. - NF M03-048 - (juin 2000)
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Combustibles minéraux solides. Calcul de la teneur en oxygène par différence. - NF M03-051 - (décembre 2002)
-
Charbon. Détermination de la teneur en différentes formes de soufre. - NF ISO 157 - (mai 1996)
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Coke...
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