Production de fer et d’acier
Poussière de charbon comme combustible
Le fer et l'acier sont devenus une partie essentielle de notre vie. Qu’il s’agisse de bateaux, de voitures ou de nombreux articles ménagers, il ne fait aucun doute que le fer et l’acier sont essentiels dans notre vie quotidienne. Environ 64 % de l’acier fabriqué à l’échelle mondiale provient du fer produit dans les hauts fourneaux qui utilisent le charbon comme combustible principal. En 2003, la quantité d'acier brut produite à l'échelle mondiale a été mise à 965 millions de tonnes avec environ 543 Mt utilisés dans le processus de fabrication.
Les matières premières utilisées dans la production de fer à partir d’un haut fourneau comprennent le minerai de fer, le coke (fabriqué à partir de charbons à coke) et une petite quantité de calcaire. Cependant, certains hauts fourneaux utilisent des méthodes d’injection de charbon pulvérisé (PCI) qui permettent de réduire les coûts et d’obtenir de meilleures performances. La méthode PCI a été développée initialement au 19e siècle, mais ce n’est que dans les années 1970 que les fabricants de fer et d’acier ont largement adopté cette technique. C’est une recrudescence du coût du coke, due à l’augmentation de la demande mondiale et à la concurrence accrue pour cette ressource, qui a conduit les fabricants à s’intéresser à cette méthode.
L'idée derrière la méthode PCI est assez simple. Il s'agit de l'air primaire, également appelé le «gaz de transport», transportant la poussière de charbon (charbon pulvérisé) qui est introduit par une lance dans le tuyere (l'entrée à mi-fond du haut fourneau). Par la suite, une pipe dans le tuyere fournit l'air chaud secondaire (également appelé l'explosion) et se mélange alors avec l'air primaire qui, comme mentionné précédemment, transmet la poussière de charbon de fonderie. Ce mélange est canalisé vers le four, créant une cavité en forme de ballon, autrement connu sous le nom d'une voie de course. Cette « voie de course » propage la combustion du coke et du charbon, liquéfiant le minerai de fer solide et libérant le fer fondu dans le processus.
Processus de moulage au sable vert
Greensand décrit le sable de moulage qui n'est ni cuit ni séché, mais possède une humidité inhérente. Le sable brut sous sa forme de minerai est traité de telle sorte que le dimensionnement du grain soit réparti uniformément. Les argiles organiques agissent comme liants pour ces grains au cours de la transformation en sable moulant.
L'ajout de poussière de charbon de fonderie aide à s'assurer que la qualité de coulée est excellente pendant que le sable se dilate quand le métal fondu chaud est vidé dans le moule. L'utilisation d'autres additifs, y compris la hauteur, la cellulose et la silice, est également autorisée. Le sable, ainsi que les additifs et l'eau sont mélangés dans un mullor, autrement appelé un mélangeur. Le sable est jugé prêt à faire un moule quand il a mélangé avec d'autres substances dans le mullor.
Le versement de fer fondu dans un moule en sable vert contenant de la poussière de charbon provoquera la libération de gaz réducteurs et de composés organiques volatils suite à l’application de chaleur et empêchera par conséquent la formation d’oxyde de fer pendant la phase intermédiaire de la production de combustion. La combustion est de l’oxyde de fer déposé et est empêchée par la pyrolyse de la poussière de charbon.
Dans la phase finale du processus de moulage, la cokéfaction de poussière de charbon commence à la surface du moule, conduisant à son ramollissement et l'expansion. L'expansion critique du sable de quartz dans le sable de silice de base se produit parallèlement à l'adoucissement et à la cokéfaction de la poussière de charbon. Par conséquent, les grains de sable sont réajustés et l'apparition de défauts de type expansion est réglementée.
La poussière de charbon utilisée dans les fonderies pour la coulée de fer nécessite une faible teneur en charbon de cendres qui doit posséder une teneur minimale en soufre et en chlorure, une humidité inhérente d'environ 2-4, et une teneur volatile de 30 ou à peu près. Sommairement, la poussière de charbon de fonderie diminue les défauts associés à l'expansion et à l'épinglage d'hydrogène. Une amélioration de la stabilité dimensionnelle des moisissures est également due à l'inclusion de cette substance dans greensand.
L’utilisation dans les coulées de sable vert de cendres volantes - qui sont chimiquement et physiquement similaires à la poussière de charbon - s’est avérée efficace, en particulier pour la coulée de métaux non ferreux(4). En plus d’offrir des performances similaires à celles du sable vert seul, les auteurs notent qu’il y a des avantages économiques à utiliser moins de sable et plus de cendres, car c’est moins cher ; Les propriétés physiques et mécaniques sont également similaires. De plus, les performances environnementales sont améliorées. De telles leçons peuvent être appliquées à la poussière de charbon.
Dans l’ensemble, on peut dire que l’utilisation de poussière de charbon diminue les défauts brûlés, améliore la finition de surface et empêche la pénétration du métal.
En remplacement ou en complément de la coulée de moules en silice
Alors que le sable vert est un choix populaire et que l’inclusion de poussière de charbon et de composés similaires est une étape importante dans la réduction des coûts et la modulation des défauts et de la combustion, le sable vert est loin d’être la méthode de coulée la plus courante. Le moulage de silice est fondamentalement le même, mais n’utilise que du sable de silice de haute pureté comme matériau de construction du moule.
Une considération importante lors du remplacement du sable de silice par tout autre matériau, par exemple la poussière de charbon, est celle de l’humidité. L’humidité résiduelle présente dans le moule entraînera des défauts de gaz et des erreurs dans le processus de coulée(5). Avec cette modification et toute autre modification du protocole de coulée habituel, la modélisation peut conduire à de meilleurs résultats(6).
Prévenir le mouillage dans les moulages
La prévention des défauts de surface est un défi majeur dans le domaine du moulage, où l’on utilise souvent des matériaux sujets au mouillage. Le mouillage provoque directement des défauts de surface, et l’utilisation de quantités suffisantes de poussière de charbon dans le sable peut atténuer ces phénomènes.
Dans des conditions de température élevée, la poussière de charbon/l’anthracite en poudre se pyrolyse et dépose une fine pellicule de carbone solide à l’interface métal-sable liquide. Cette couche déposée empêchera la pénétration du métal dans le sable, et vice-versa. Il s’agit cependant de deux couches. Un sur le sable et le métal qui assure un comportement de non-mouillage et la prévention de la formation de bavures qui devront ensuite être usinées du produit coulé. Les poussières de charbon à prédominance anthracite, ayant une bonne capacité de cokéfaction, ne contenant pas plus de 30 % de substances volatiles en poids, avec moins de 0,8 % en poids de soufre et ayant une faible teneur en cendres sont préférées(7).
Naturellement, il faut s’attendre à une augmentation de la pression en raison de l’évolution des gaz provenant de la pyrolyse de la poussière de charbon, provoquant une augmentation modérée de la pression, en plus de l’évaporation de l’eau du sable. De telles augmentations de pression sont bien dans la tolérance de n’importe quel moule de coulée au sable. Le seul problème mineur potentiel est que l’hydrogène pourrait pénétrer dans le métal, à des températures suffisamment élevées, s’il est suffisamment présent, en raison de son petit rayon atomique(8).
Il est intéressant de noter que le mouillage est une considération importante dans une étude qui s’est penchée sur le stockage de la poussière de charbon. Comme la poussière de charbon est hautement inflammable, son stockage doit être pris au sérieux. Un spray à base de dodécylsulfate de sodium a été mis au point pour prévenir la dégradation et l’incendie des poussières de charbon stockées(9).
Applications réfractaires
Comme mentionné précédemment, l’anthracite a un certain degré de réfractarité, en particulier lorsqu’il a été calciné.
Briques réfractaires
Les briques réfractaires
sont capables de supporter des températures élevées et se caractérisent par une faible conductivité thermique qui permet une plus grande efficacité. Les applications qui nécessitent un stress thermique, chimique ou mécanique élevé nécessitent l'utilisation de briques réfractaires denses. Cependant, la brique de four - une brique réfractaire plus poreuse - est plus appropriée pour les situations moins dures. Les briques de four sont plus faibles que les briques denses, mais elles sont avantageuses dans le sens où elles sont légères et de meilleurs isolants. La poussière de charbon comme additif dans la production de briques réfractaires est utilisée depuis près de cent ans(10).
L'une des principales substances impliquées dans la production de briques réfractaires autrement appelées briques de feu est la poussière de charbon. Les fours à foyer ouverts, les fours à arc électrique, les fours métallurgiques, les fours rotatifs en ciment et les fours à verre sont construits avec des briques de feu faites de poussière de charbon réfractaire. Comme additif, il est nécessaire que la poussière de charbon soit mélangée à de l'argile et de l'eau. Par la suite, le mélange subit un processus de cuisson qui consiste à sécher à l'air pendant 120 minutes à une température de 30oC et a traversé une température de 110oC. Dans la dernière phase de cuisson, l'échantillon de mélange est introduit dans un four et chauffé à une température de 1050oC en 6 heures.
Pour les briques réfractaires contenant de la poussière de charbon, il a été constaté qu’avec un broyage plus fin (c’est-à-dire des particules plus petites), la résistance à la compression et les niveaux de porosité sont augmentés, tandis que la conductivité thermique diminue. Naturellement, l’équilibre de la conductivité thermique et de la force compressive sont la clé d’une brique de feu réussie. Les chercheurs ont conclu que la conductivité thermique diminuait tandis que les niveaux de résistance à la compression et de porosité augmentaient avec une augmentation globale du pourcentage de poussière de charbon utilisée(11).
Plus précisément, la poussière de charbon fournit l'isolation thermique requise par les briques réfractaires pour effectuer en cas de besoin. La poussière de charbon réfractaire a l'effet suivant sur la brique de feu :
- Réduit la conductivité thermique
- Augmenter la force de broyage et la porosité de la brique réfractaire
- Améliorer la capacité de la brique à feu à résister aux facteurs thermiques et corrosifs
- Favorise la capacité de résister aux chocs thermiques.
La composition en pourcentage des briques réfractaires à la poussière de charbon standard attribuée à la poussière de charbon varie de 38 à 68 %, avec des tailles de broyage allant de 20 à 500 μm. Il a été dit qu’avec l’augmentation de la teneur en charbon, la résistance mécanique augmente et la conductivité thermique diminue (12).
Comme pour tous les réfractaires, la notion de porosité est cruciale. Des niveaux élevés de porosité corroborent des niveaux plus élevés d’isolation thermique en raison d’une plus grande capacité d’air, car l’air est un mauvais conducteur de température(13), mais il convient de noter qu’une porosité trop importante peut être une mauvaise chose. L’excès de porosité est souvent associé à une diminution de la résistance mécanique.
La perméabilité est l’un des principaux facteurs déterminants de la longévité des matériaux réfractaires(14), et est fortement influencée par la porosité. Les pores sont créés après qu’un matériau combustible dans le mélange réfractaire global brûle pendant la cuisson. La forme des pores est liée au matériau(15) et le processus global est connu sous le nom de « burnout ». Lorsque la poussière de charbon brûle, elle laisse généralement un trou sphérique(16). En règle générale, plus la taille des particules de l’additif est grande, plus la taille des pores sera réalisée.
La poussière de charbon est également utilisée comme additif dans la fabrication de briques très stables thermiquement à partir de boue d’argile rouge à haute teneur en fer dans les pays en développement(17). Ces briques sont appréciées pour leur faible rétention d’eau et leur longévité.
Revêtements réfractaires
Comme nous l’avons mentionné précédemment en ce qui concerne les revêtements de hauts fourneaux, la poussière de charbon sous forme d’anthracite peut être utilisée dans les revêtements réfractaires, souvent dans le cadre d’une structure monolithique. La fusion de l’aluminium fait un usage intensif de revêtements carbonés, utilisant de l’anthracite aux côtés du coke et d’autres matériaux à base de carbone. Les revêtements monolithiques dérivés de l’anthracite sont très appréciés en raison de leur faible teneur en cendres et de leur stabilité à long terme. Les cathodes utilisées dans l’étape d’électrolyse de la fusion de l’aluminium peuvent contenir jusqu’à 45 % d’anthracite calciné ; Tout en maintenant la stabilité à haute température et sans perte de conductivité électrique, cela s’ajoute à d’autres scénarios de type cuve ou répartiteur où l’ajout de poussière de charbon aide à garantir que le métal fondu est maintenu à température constante(18).
Autres utilisations réfractaires
Pour l’assemblage d’autres réfractaires dans les revêtements de fonderie, on peut utiliser une pâte réfractaire très efficace composée d’anthracite calciné et d’un brai résineux(19). Lorsque ces résines sont riches en anthracite, leurs performances sont considérées comme supérieures en termes de résistance à la compression dans les plages de température plus élevées, par rapport aux résines de type asphalte(20). La poussière de charbon est utilisée dans les ciments réfractaires et le béton dès 1910. Bien que l’ajout de poussière de charbon ne contribue pas à l’activité pouzzolanique (durcissement) du béton, l’inclusion augmente les performances thermiques globales, ce qui en fait un bon choix pour les environnements à haute température.
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