Les propriétés du coke métallurgique à haute température

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Commission des Communautés européennes recherche technique charbon LES PROPRIETES DU COKE METALLURGIQUE A HAUTES TEMPERATURES Rapport EUR 10430 FR Agrandissement à partir d'un original microfiche Commission des Communautés européennes recherche technique charbon LES PROPRIETES DU COKE METALLURGIQUE A HAUTES TEMPERATURES H.C. WILKINSON 26 Wheatlands Road Wingerworth Derbyshire S42 6RS RAPPORT SYNOPTIQUE Direction générale "Energie" 1986 EUR 10430 FR Publié par: COMMISSION DES COMMUNAUTÉS EUROPÉENNES Direction général· Marché de l'Information at Innovation Bâtiment Jean Monnat LUXEMBOURG AVERTISSEMENT Ni la Commission des Communautés européennes, ni aucune autre personne agissant au nom de la Commission, n'est responsable de l'usage qui pourrait être fait des informations ci-après. © CECA — CEE — CEEA, Bruxelles-Luxembourg. 1986 III TABLE DES MATIÈRES Page SOMMAIRE V AVANT­PROPOSVIICONTRATSDERECHERCHE PERTINENTE AYANT L'APPUI DE LA CECAιχ1.ÉTUDEÓDELARÉSISTANCE DU COKE AUX ATTAQUES CHIMIQUES,THERMIQUES ET MÉCANIQUES 11.1 Aperçu général11.2 L'effet desattaqueschimiques et thermiques sur le cokeauxtemperaturesinférieures a 1000 C et sur sa résistancesubséquente aux contraintes mécaniques2 1.2.1 Mesure de la temperature­seuil de gazéification du coke 31.3 L'effet des attaqueschimiquesetthermiques surle coke aux temperaturesde1000Cetplus et sursa resistance subséquenteauxcontraintes mécaniques 51.3.
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Commission des Communautés européennes
recherche technique charbon
LES PROPRIETES DU COKE METALLURGIQUE
A HAUTES TEMPERATURES
Rapport
EUR 10430 FR
Agrandissement à partir d'un original microfiche Commission des Communautés européennes
recherche technique charbon
LES PROPRIETES DU COKE METALLURGIQUE
A HAUTES TEMPERATURES
H.C. WILKINSON
26 Wheatlands Road
Wingerworth
Derbyshire S42 6RS
RAPPORT SYNOPTIQUE
Direction générale "Energie"
1986 EUR 10430 FR Publié par:
COMMISSION DES COMMUNAUTÉS EUROPÉENNES
Direction général·
Marché de l'Information at Innovation
Bâtiment Jean Monnat
LUXEMBOURG
AVERTISSEMENT
Ni la Commission des Communautés européennes, ni aucune autre personne agissant
au nom de la Commission, n'est responsable de l'usage qui pourrait être fait des
informations ci-après.
© CECA — CEE — CEEA, Bruxelles-Luxembourg. 1986 III
TABLE DES MATIÈRES
Page
SOMMAIRE V
AVANT­PROPOSVII
CONTRATSDERECHERCHE PERTINENTE AYANT L'APPUI DE LA CECAιχ
1.ÉTUDEÓDELARÉSISTANCE DU COKE AUX ATTAQUES CHIMIQUES,
THERMIQUES ET MÉCANIQUES 1
1.1 Aperçu général1
1.2 L'effet desattaqueschimiques et thermiques sur
le cokeauxtemperaturesinférieures a 1000 C et
sur sa résistancesubséquente aux contraintes
mécaniques2
1.2.1 Mesure de la temperature­seuil de
gazéification du coke 3
1.3 L'effet des attaqueschimiquesetthermiques sur
le coke aux temperaturesde1000Cetplus et sur
sa resistance subséquenteauxcontraintes
mécaniques 5
1.3.1L'effetdu traitement thermique 8
1.3*2Essaisdegazéificationauxtemperatures
supérieures a 1000 C9
Λ.k Conclusionsgenérales basées sur lesetudes du
comportementdescokes sous l'influence des effets
chimiques,thermiques et mécaniques 11
2. L'INFLUENCE DES ALCALIS SUR LE COMPORTEMENTDU COKE A LA
GAZÉIFICATION ET A SA RÉSISTANCE MÉCANIQUEAHAUTES
TEMPÉRATURES 14
2.1Aperçugénéral14
2.2L'effetdes alcalis sur les macro­propriétés du
coke15
2.3L'effetdes alcalis sur les micro­proprietes et
lespropriétés structurales du coke 19
2.kLachimie de l'absorption del'alcali22
3. LESRAPPORTSENTRE LES PROPRIÉTÉS FONDAMENTALES ET A
HAUTES TEMPÉRATURES DU COKE 25
3.1 Aperçu général25
3.2 La résistanceàlatractiondu coke de haut­fourneau25
3.2.1 Larésistanceducoke à la tractionàhautes
temperatures26
3.3 La resistanceducokealacompression àhautes
temperatures 27
J>.k L'effetdelastructure du coke sur ses propriétés
fondamentalesderesistance mécanique 28 IV
3­5 Changements des propriétés structurales et de
résistance mécanique apres gazéification partielle 29
3·5·1 La résistance à la traction des cokes apres
gazéification partielle 29
3­5­1*1 Larésistanceàlatraction des
cokesrecuperesdestuyeres de
haut­fourneau31
3·5*2 La résistance à lacompressiondes cokes
récupérés des tuyeresdehaut­fourneau 31
3·5·3 Changements des propriétés des cokesa
hautes températures 32
3*5·^ s des structures isotropique
et anisotropiqueducoke par rapport a
la temperature33
3­5*5 Changementsstructuraux dans des
atmosphères inertesahautes temperatures 35
k. RÉACTIVITÉ DES COKES 37
k.~] Aperçugénéral37
4.2 Rapportentredesessais de reactivité varies38
4.3 Évaluationdemesures ¿'abrasion variées apres
desessaisdegazéification et de reactivite39
5. IMPLICATIONSPRATIQUESDES PROJETS DE RECHERCHE 42
5.1 Methodesdepréparation d'un coke abasse
temperature­seuilde gazéification Λ2
5.2 Évaluations pratiques danslamanufacture de cokes
métallurgiques conventionnelsahauteresistance
mécanique et a haute stabilitethermique45
5.3 La production de coke de haute qualité pour emploi
dans les hauts­fourneaux 48
6. TRAVAUX DE RECHERCHEPERTINENTEEXÉCUTÉS HORS DE LA CECA 51
7. CONCLUSIONS 55
8.RECOMMENDATIONSPOUR ÉTUDESULTÉRIEURES59
9.RÉFÉRENCES61
TABLES 1 à 1165
FIGURES 1a, 1b 77 SOMMAIRE
Des études des propriétés du coke qui influencent son comporte­
ment à hautes températures ont été effectuées, au moyen d'essais qui
simulent partiellement les conditions dans l'étalage et les tuyeres
du haut-fourneau, dans plusieurs projets de recherche avec l'aide
financière du directorat du charbon, et de l'acier au sein de la CECA.
Ces études sont évaluées dans ce rapport synoptique.
Les principales caractéristiques étudiées portant sur le
comportement du coke à hautes températures ont été la resistance au
choc thermique, à l'attaque par les gaz oxydants, l'influence de
l'alcali et l'effet de ces différents paramètres sur la résistance
du coke aux contraintes mécaniques. Dans la plupart des travaux,
les changements de resistance mécanique du coke ont ete evalues
après avoir soumis celui-ci aux effets des différents paramètres.
L'échelle des essais a varie depuis l'examen d'un coke de grosseur
semblable a celle utilisée dans la pratique jusqu'à l'échelle de
banc d'essai effectue sur des petits échantillons de particules de
petite grosseur.
Dans plusieurs projets, l'état du coke ressemblait a celui d'un
coke qui était descendu dans la cuve du haut-fourneau et ce coke
pouvait être compare a celui qui avait été retiré des tuyeres du
haut-fourneau.
Jusqu'aux temperatures voisinantes de 1^00 C Cia temperature
généralement considérée comme étant la maximale) les cokes sont
légèrement affaiblis par les effets thermiques les rendant plus
susceptibles aux défaillances subsequentes occasionnées par les
contraintes mécaniques. Les effets des gaz oxydants augmentent
considérablement ces tendances.
Des etudes visees aux effets de l'absorption ou de la circulation
de l'alcali dans la phase vapeur sur les propriétés du coke a hautes
températures furent effectuées. Il fut démontré que l'alcali
penetre considérablement dans la structure du coke, augmente sensiblement VI
sa cadence de réaction avec les gaz oxydants et accentue la degrada­
tion du coke. Les effets d'autres formes de contrainte sur le coke
sont largement élimines par les effets de l'alcali lequel, a l'heure
actuelle, ne peut être contrôlé que par les changements de la charge
du haut-fourneau et par la composition chimique et le volume du
laitier.
Des études furent effectuées sur les changements des propriétés
fondamentales du coke à la suite des différentes méthodes d'attaque.
La résistance a la compression, la résistance a la pression, la
configuration des pores et de la paroi poreuse, et les structures
mosaïques des cokes furent examinées. Les changements les plus
importants de ces propriétés furent de nouveau constates a la suite
d'attaques chimiques sur les cokes et de leur gazéification;
l'influence des alcalis fut également observée.
Une evaluation des différents essais de reactivite utilises
dans les différents projets fut effectuée et les resultats de ces
essais furent comparés. Il fut démontré que les essais avaient en
general la tendance de placer une serie de cokes dans le même ordre de
réactivité, quelle que soit l'importance des attaques sur ceux-ci.
Des essais qui engendraient la mesure de la perte de resistance
mécanique apres reaction fournirent des indications plus significatives
du comportement du coke dans la pratique.
Une evaluation de la signification pratique des travaux fut
établie et il fut demontre que l'application de plusieurs des résultats
était restreinte au sein des conditions en vigueur dans la manufacture
du coke.
DÛ a la quantité limitée d'évidence disponible, tres peu de
progres a ete realise en ce qui concerne le rapport entre les propriétés
du coke a hautes températures et la nature du charbon d'origine.
Des recommendations pour les travaux ultérieurs furent suggérées. VII
AVANT-PROPOS
Il demeure vrai, en 1984, que dans le monde entier, de beaucoup
la plus grande proportion de fonte brute est produite par le procède
traditionnel à haut-fourneau où une charge ferrugineuse est réduite
a haute température au moyen de coke métallurgique.
Le procédé à haut-fourneau, qui commençaaCoalbrookdale dans le
Shropshire en 1709, lorsque Abraham Darby produisit de la fonte brute
au taux de trois tonnes par jour en utilisant k tonnes de coke par
(1)
tonne de fonte brute , s'est développé en une vaste entreprise à
l'échelle mondiale où les hauts-fourneaux à présent fonctionnant sont
capables de produire au moins 10.000 tonnes de fonte brute en 2k heures,
en utilisant environ 430 a 450 kg de coke pour realiser chaque tonne
de métal en fusion.
Les dernières vingt-cinq années ont ete témoins d'un développe­
ment des plus rapides dans la technologie de la production de la fonte.
La grandeur des hauts-fourneaux a augmenté de 700 m , une grandeur
typique il y a vingt-cinq ans, à bien plus de, par exemple, 4000 m
dans maints hauts-fourneaux au Japon et en Europe, tandis qu'en URSS
le haut-fourneau a Krivoi Rog est cense avoir un volume de service de
plus de 5000 m . L'emploi de pressions élevées à la partie supérieure,
le chargement continu au moyen de dispositifs de distribution tels que
le gueulard Paul Wurth, et les températures du vent plus élevées ont
tous contribue a une performance plus efficace et a une reduction de
la quantité de coke exigée.
Mais peut-être l'un des développements les plus significatifs fut
la prise de conscience graduelle de l'importance de l'état de la
charge du haut-fourneau. En I960, c'était toujours la pratique
courante de charger les hauts-fourneaux avec des mélanges de brocaille
de minerai grossièrement criblée et de coke provenant d'une gamme
étendue de différentes grosseurs; dans ces conditions, même en
utilisant des hauts-foimeaux plus petits et moins efficaces, des
rapports de coke de 700 à 750 kg/tonne de métal en fusion n'étaient
pas rares. A l'heure actuelle, la grosseur et la qualité du matériau
ferrugineux et du coke sont soigneusement contrôlées et les avantages
de cette methode sont manifestement apparents. VIII
Dans la partie inferieure du haut-fourneau, le coke demeure le
seul matériau solide présent aux températures excédant environ 1400 C.
La perméabilité du haut-fourneau et son fonctionnement efficace sont
ainsi, de beaucoup, contrôlés par l'état du coke dans la partie
inférieure du haut-fourneau. En particulier, la grosseur, la
distribution de la grosseur et la résistance mécanique du coke sont
très importantes dans l'étalage et dans la zone de fusion du haut-
fourneau et plus haut dans la cuve de ce dernier, les réactions chimiques
ayant lieu entre le coke et les gaz oxydants et l'influence des alcalis
présents dans le haut-fourneau affectant l'état du coke lorsque celui-ci
atteint les zones inférieures du haut-fourneau.
C'est à cause de cette prise de conscience accroissante de
l'importance du coke dans le fonctionnement du haut-fourneau et de la
proportion élevée du coût total de la manufacture de la fonte attribuable
au coût du coke que dans les années récentes beaucoup de travaux ont
visé l'étude des propriétés du coke qui influencent son comportement
dans la pratique.
Depuis cette étude, il est devenu apparent que les recherches
portant sur les propriétés du coke aux temperatures ambiantes ne
fournissent pas suffisamment d'information pour expliquer les facteurs
qui contrôlent le comportement du coke a hautes temperatures. Des
efforts vises a relater a la performance du haut-fourneau les propriétés
du coke, telles que sa resistance mécanique et sa grosseur, lesquelles
peuvent être facilement mesurées a des temperatures normales, n'ont
joui que d'un succes limité, souvent dans des circonstances limitées.
C'est a cause de cette situation que beaucoup de soins ont ete
apportes, dans les recentes années, a l'étude du coke a hautes
températures dans des conditions qui essaient de simuler le plus
possible certaines dess qui s'avèrent dans le fonctionnement
du haut-fourneau.
Plusieurs projets de recherche dans le cadre de ce domaine général
d'études des propriétés du coke a hautes temperatures ont, durant les
dernières années, joui de l'appui du directorat du charbon et de l'acier
de la CECA. La majorité de ces etudes sont maintenant complétées et
le but du présent rapport synoptique est d'évaluer ces travaux de
façon a essayer d'en tirer des conclusions, de considérer les implica­
tions technologiques et économiques de ces conclusions et d'indiquer,
la ou il s'avere approprié, les secteurs où il y a raison ou besoin de
continuer les recherches.

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