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RÉSUMÉ
Le haut fourneau constitue actuellement l'outil de base de la filière de production des aciers à forte valeur ajoutée. Son fonctionnement est maintenant bien connu et la technologie a atteint un haut niveau de maturité. Cet article traite des principes généraux de fonctionnement du haut fourneau et aborde les points suivants : le schéma global de fonctionnement, monodimensionnel puis bidimensionnel, sa modélisation thermochimique par bilan étagé, le fonctionnement de la zone des tuyères, notamment l'injection de charbon, le fonctionnement du creuset ainsi que sa vidange. Enfin sont présentés les modèles numériques décrivant le haut fourneau dans sa globalité.
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The blast furnace still represents the basic tool of the manufacturing route for the production of high end steels. The operating principles of the blast furnace are now well established and the technology has achieved a high degree of maturity. The present article deals with the general operating principles of the blast furnace and covers the following items: the global functioning of the blast furnace in 1-D and 2-D, the thermochemical modelisation with the staged heat and mass balance, the working of the tuyeres zone, including coal injection, and the working of the hearth including the liquid drainage and flushing. Lastly the numerical models of the global blast furnace are presented.
Auteur(s)
-
Jean-Marc STEILER : Ingénieur civil des Mines - Ancien directeur des Programmes R&D procédés, ArcelorMittal Global R&D - Maizières-lès-Metz, France
INTRODUCTION
À l'échelle mondiale, environ 70 % de l'acier produit est issu du traitement de minerais et de charbons par la filière haut fourneau-convertisseur à l'oxygène, alors que 30 % sont produits à partir de ferrailles recyclées au four électrique. Des disparités importantes existent entre les régions du globe, ainsi en Europe le ratio est plutôt dans le rapport 60/40.
Des progrès considérables ont été réalisés dans la connaissance et la maîtrise du haut fourneau, qui ont entraîné une réduction remarquable de ses besoins énergétiques, de l'ordre de 50 % au cours des quarante dernières années en Europe. Dans leur fonctionnement actuel, les hauts fourneaux les plus performants fonctionnent dans des conditions proches de l'optimum théorique de consommation énergétique. D'une manière générale, les technologies utilisées présentent un haut degré de maturité et font largement appel à des outils sophistiqués en matière d'instrumentation, de systèmes d'information et de modélisation numérique. Au cours des vingt dernières années, la tendance générale a été de concentrer la production de fonte sur un nombre restreint de hauts fourneaux de grande taille fonctionnant à forte productivité avec une fiabilité remarquable et sur une durée de vie excédant 20 à 25 ans.
Le haut fourneau est confronté à de nouveaux défis, essentiellement de trois ordres : sur le plan environnemental, avec sa production élevée de CO2, inhérente au principe même donnant une large part à la réduction des oxydes de fer par le carbone ; sur le plan énergétique, avec la nécessité de flexibiliser les sources d'énergie en fonction des disponibilités ; sur le plan des matières premières, avec le besoin de s'adapter à la dégradation générale de la qualité des minerais et charbons et aux larges fluctuations de prix et de demande du marché.
Deux types de réponses ont été étudiés pour répondre à ces nouveaux défis. D'une part de nombreux procédés de « réduction-fusion » capables de traiter directement le charbon et le minerai sans préparation poussée [M 7 550] ont été imaginés, mais peu ont été industrialisés et leur part dans la production mondiale reste marginale. D'autre part, des adaptations du procédé du haut fourneau sont étudiées, avec l'objectif de réduire la production de CO2, par exemple la décarbonatation du gaz de gueulard et son recyclage dans le haut fourneau (projet ULCOS en Europe), l'utilisation massive d'hydrogène comme agent réducteur, le haut fourneau à oxygène ou le haut fourneau à basse température de zone de réserve au Japon. Tous ces développements restent encore à l'état de projets de recherche à l'échelle du laboratoire ou du pilote.
Cet article présente les principes généraux de fonctionnement du haut fourneau tels qu'ils sont établis à partir des bases théoriques décrites dans l'article [M 7 400]. Les aspects technologiques et la pratique opératoire sont présentés dans les deux articles [M 7 410] et [M 7 411]. Dans l'ensemble de ces articles, seule est considérée la fabrication de fonte d'affinage destinée à être transformée en acier dans la filière de fabrication des aciers au carbone. La fabrication des fontes spéciales, des fontes de moulage, du ferromanganèse ainsi que les fours à zinc et plomb est laissée de côté.
Cet article aborde les points suivants :
-
le fonctionnement de la cuve du haut fourneau sous la forme de deux échangeurs thermiques et chimiques superposés et séparés par une zone de réserve thermique, et la modélisation associée sous la forme du bilan étagé ; ces phénomènes ont un impact direct sur les besoins thermiques ;
-
le fonctionnement de la zone des tuyères, où est produite l'énergie nécessaire au procédé, ainsi que la problématique de l'injection massive de charbon pulvérisé ; ces phénomènes jouent un rôle majeur dans la performance économique du haut fourneau ;
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le fonctionnement du creuset et les phénomènes d'écoulement de liquides et de vidange, qui ont un impact sur la qualité de la fonte et la durée de vie du haut fourneau ;
-
l'état de l'art en matière de modélisation globale de l'ensemble du fonctionnement du haut fourneau en 2D et 3D par des techniques numériques avancées
La bonne compréhension de cet article nécessite la lecture préalable de l'article [M 7 400].
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire des termes et expressions importants de l’article, ainsi qu’un tableau des notations et symboles utilisés.
KEYWORDS
modelling | blast furnace | reduction iron oxides | tuyeres | hearth
DOI (Digital Object Identifier)
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1. Schéma global de fonctionnement
1.1 Schéma thermochimique : le haut fourneau monodimensionnel
Les travaux menés à l'IRSID par Michard et Rist dans les années 1960 ont permis d’établir un schéma général de fonctionnement thermochimique du haut fourneau prenant en compte les observations industrielles issues des sondages verticaux dans la cuve et les diverses réactions qui s'y produisent ([M 7 400], figures 2 et 3).
Ce schéma général est illustré à la figure 1. Le haut fourneau est considéré comme un réacteur continu fonctionnant en régime permanent ; il assure un échange de matière et d'énergie à contre-courant entre le gaz et les matières condensées (solides, liquides). Les transferts de masse sont représentés par la variation du degré d'oxydation de la charge, exprimé en atome d'oxygène par atome de fer, en relation directe avec les teneurs en CO et CO2 du gaz.
La théorie du haut fourneau, décrite dans l'article ([M 7 400], § 5.1 et 5.2), repose...
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Schéma global de fonctionnement
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MICHARD (J.A.) - Étude du haut fourneau II. - Cahiers du Cessid 1959 ; Revue de Métallurgie, n° 58, p. 41 (1961).
-
(2) - RIST (A.), DANCOISNE (P.), JON (R.) - Connaissance du haut fourneau. - Revue de Métallurgie N° 1 p. 97 (1967).
-
(3) - STEILER (JM.), CAPELANI (R.) - Actualisation du modèle mathématique du haut fourneau. - Rapport Irsid PCM RI (1975).
-
(4) - * - Blast Furnace phenomena and modelling. ISIJ, Elsevier Ed. (1982).
-
(5) - NICOLLE (R.), CAPELANI (R.), GUILLOT (J.B.), RIST (A.) - La réduction dans le haut fourneau et la recherche des très basses mises au mille de coke. - Congrès International du Haut Fourneau HF80, Arles France ; Revue de Métallurgie, N° 10 p. 770 (1980)
-
(6)...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Fact Sage Integrated Data Base : base de données thermodynamiques d’espèces minérales ; outils de calculs en ligne de grandeurs de réactions, d’équilibres complexes multiphasés, de diagrammes de phases
http://www.crct.polymtl.ca/factsage/fs_general.php
JANAF : table de données thermodynamiques d’espèces minérales ; calcul en ligne de grandeurs de réaction
http://kinetics.nist.gov/janaf/
FLUENT : outil de calcul de mécanique des fluides
http://www.ansys.com/Products/Fluids/ANSYS-Fluent
EDEM SOFTWARE : outil de simulation des matériaux granulaires utilisant les techniques DEM
https://www.edemsimulation.com/software/
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