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PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LE CONTROLE EN LIGNE DE LA QUALITE DE L'ALLUMAGE ET/OU DU DEGRE DE CUISSON D'UN GATEAU
D'AGGLOMERATION DE MINERAIS DE FER Objet de l'invention [0001] La présente invention se rapporte à un procédé de contrôle en ligne ("on-line") de la qualité de l'allumage et/ou du degré de cuisson d'un gâteau d'agglomération de minerais de fer sur grille mobile.
[0002] L'invention se rapporte également au dispositif pour la mise en oeuvre du procédé.
Etat de la technique [0003] Le processus d'agglomération des minerais de fer consiste, de manière bien connue de l'homme de l'art : - à déposer sur une bande d'agglomération, généralement formée d'une grille mobile sans fin, une couche d'un mélange granulé de minerais de fer, de combustible solide, généralement du poussier de coke, avec éventuellement diverses matières d'addition ou de recyclage ; - à enflammer cette couche à sa surface supérieure au moyen de brûleurs disposés dans une hotte d'allumage ; - et à aspirer de l'air à travers le mélange, par des boîtes à vent situées sous la bande, pour faire progresser la combustion du combustible solide sur
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toute l'épaisseur de la couche.
Cette couche forme un lit, dont l'épaisseur typique est de 30 cm à 1 m, suffisamment perméable pour assurer la convection des gaz de combustion au travers de celle-ci.
[0004] On obtient finalement, à l'extrémité de sortie de la bande d'agglomération où la couche est présumée "cuite" sur toute son épaisseur, un gâteau aggloméré de minerai de fer, résultant de la fusion partielle de ladite couche suivie d'une resolidification.
[0005] Après refroidissement, concassage et criblage, la fraction utile, étant située en granulométrie typiquement entre 5 et 40 mm et appelée aggloméré marchand, est destinée à être chargée au haut-fourneau, tandis que la partie plus fine, appelée fines de retour, de granulométrie typiquement inférieure à 5 mm, est recyclée dans le mélange à agglomérer.
[0006] Un double problème industriel est à la base de la présente invention et est décrit ci-après.
[0007] Premièrement, en sidérurgie, un bon allumage est une condition nécessaire au bon déroulement de l'agglomération. En effet, un allumage insuffisant peut entraîner une production excessive de fines de retour, voire l'extinction du front de flamme, faute d'avoir suffisamment de chaleur emmagasinée dans la couche à la sortie de la hotte d'allumage.
[0008] De plus, un allumage présentant des hétérogénéités transversales, telles que des zones plus chaudes que d'autres ou des zones partiellement fondues, peut entraîner des hétérogénéités de cuisson, essentiellement en terme de vitesse du front de flamme, entraînant un certain nombre de conséquences néfastes : - inhomogénéité du point de percée du front de flamme suivant la largeur de la bande, ce qui rend le contrôle de ce dernier imprécis voire instable et ce qui conduit
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à une chute de productivité suite à la mauvaise utilisation de la surface de cuisson ; - degré de cuisson hétérogène, entraînant une qualité de moindre homogénéité de l'aggloméré produit, ce qui s'avère néfaste pour la bonne marche du haut-fourneau ;
- production accrue de fines de retour, ce qui induit un ballast thermique supérieur avec recyclage accru de matières "inertes" et "inutiles" et donc une consommation supérieure de combustible ; - augmentation de la consommation électrique spécifique, suite au besoin de maintenir le point de percée moyen plus en retrait par rapport au déchargement pour être sûr que tout sera bien cuit en bout de chaîne. Ladite consommation électrique est liée principalement aux ventilateurs électriques assurant l'aspiration en cours d'agglomération de gaz comburant au travers de la couche formée par le gâteau à agglomérer.
[0009] De plus, ces dernières années, plusieurs bandes d'agglomération industrielles existantes ont été allongées pour augmenter leur capacité de production.
Ainsi, les hottes d'allumage qui étaient déjà pour la plupart relativement courtes dans un souci de productivité maximale, sont devenues encore plus courtes proportionnellement à la longueur totale de cuisson. Un bon allumage est donc de plus en plus difficile à obtenir, vu l'amenuisement de la marge de sécurité en terme d'apport thermique spécifique (MJ/tonne d'aggloméré).
[0010] Les dérives possibles des conditions d'allumage sont nombreuses, comme par exemple : - suite à l'accroissement des besoins thermiques lors d'un changement de matières premières ou d'une dérive des propriétés des matières premières, ou
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- suite à un encrassement du système de chargement sur bande induisant des densités de matière variables suivant la position transversale, ou encore - suite à un changement du pouvoir calorifique du gaz, ou encore suite à un colmatage progressif d'un ou plusieurs brûleurs de la hotte d'allumage.
[0011] Toutes ces dérives peuvent induire des dégradations de marche, telles que chute de productivité, etc., sans qu'on ait une réelle possibilité de dresser un diagnostic clair, du fait que le procédé d'agglomération est complexe et que les sources de dégradation de marche autres que l'allumage sont multiples. D'où l'importance de disposer de moyens d'évaluation de la qualité de l'allumage, permettant d'identifier avec précision la cause d'une dégradation de marche déjà visible ou future, faute de quoi des mesures inadéquates risquent d'être prises pour pallier le problème mais sans le résoudre.
[0012] Des solutions existent dans l'état de la technique pour évaluer la qualité de l'allumage. Une méthode actuellement techniquement disponible est le scanning de la surface du gâteau à l'aide d'un pyromètre juste à la sortie de la hotte d'allumage. Cependant, cette technique est très peu ou pas du tout utilisée en routine, ce qui atteste du peu d'intérêt suscité. En effet, la connaissance de la distribution thermique en surface n'est pas suffisante pour évaluer la qualité de l'allumage. D'une part, un bon allumage suppose que la quantité de chaleur emmagasinée pendant l'allumage permet non seulement d'éviter l'extinction du front de flamme lors du refroidissement juste après sortie de la hotte (par l'aspiration d'air ambiant).
D'autre part, il faut aussi que les températures atteintes dans la couche directement en dessous de la surface, sur une hauteur de 5 à 10 cm,
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soient suffisantes en amplitude et en temps de séjour pour obtenir un degré de cuisson satisfaisant de cette couche, faute de quoi cette dernière ne s'agglomérera pas du tout et donnera lieu à une production excessive d'incuits, d'où une chute de production. Il n'est pas rare que la surface soit bien cuite, sur un ou deux centimètres d'épaisseur, mais que juste en dessous de celle-ci on trouve plusieurs centimètres d'incuits, dont la présence ne peut en aucun cas être suspectée juste sur base de l'état-thermique et visuel- du gâteau en surface.
[0013] En guise de second problème, la régularité de la qualité de l'aggloméré produit est essentielle pour une marche stable des hauts-fourneaux, et ce d'autant plus que la tendance actuelle est d'injecter toujours plus de charbon pulvérisé aux tuyères pour réduire la consommation de coke chargé au gueulard, ce qui induit une plus grande proportion d'aggloméré dans la charge solide enfournée, et donc aussi une plus grande sensibilité de la marche du haut-fourneau à toute variation des propriétés physico- chimiques de cet aggloméré.
[0014] Or, la régularité parfaite de la qualité de l'aggloméré ne peut être obtenue que grâce à une mesure continue ou de fréquence suffisante, par exemple toutes les 5 minutes, d'un indice de qualité présentant un temps de réponse le plus faible possible par rapport aux paramètres opératoires des conditions d'agglomération. De préférence, ce temps de réponse est compris entre 5 et 30 minutes.
[0015] Le C. R.M. a développé pour ce faire un capteur, appelé PERMAGNACTM, dans les années 60, qui permet de suivre en continu l'évolution du degré de cuisson de l'aggloméré.
[0016] Son principe est le suivant. Une petite partie des fines de retour provenant du criblage de l'aggloméré produit passe dans une bobine faisant partie
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d'un circuit oscillant dont on mesure la fréquence de résonance. Cette fréquence est une image de la valeur de self-induction de la bobine, qui elle-même dépend de la perméabilité magnétique de son noyau, constitué par les fines de retour traversant la bobine. La perméabilité magnétique des fines de retour est en relation directe avec leur teneur en magnétite, cette dernière étant relativement bien corrélée avec la teneur en magnétite de la fraction agglomérée utile (envoyée au haut-fourneau). Or la teneur en magnétite d'un aggloméré est directement liée au degré de cuisson de celui-ci.
Ainsi, si 111,indice magnétique" mesuré varie, cela indique que le degré de cuisson a plus que probablement varié et par conséquent la qualité d'aggloméré qui en résulte.
[0017] Le PERMAGNACTM a fait ses preuves industriellement et est fort répandu à travers le monde, mais il présente néanmoins certains inconvénients : - il nécessite des dispositifs pour le prélèvement des fines de retour, leur acheminement, leur refroidissement, leur passage à travers la bobine (avec trémie-tampon à débordement en amont, vibrant pour l'extraction en aval) et enfin leur évacuation (retour vers le flux de matière principal) ; - il demande beaucoup d'entretien et comporte des pièces d'usure, notamment le revêtement intérieur de la bobine continuellement sollicité par les fines de retour abrasives ;
- son temps de réponse, bien que plus court que la durée des tests physiques réalisés sur des échantillons d'aggloméré, est tout de même de l'ordre de 30 à 40 minutes dans le meilleur des cas (criblage à chaud), voire beaucoup plus, typiquement 1h à lh30, lorsque le criblage se fait uniquement après refroidissement
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complet du gâteau d'aggloméré, soit sur bande soit sur refroidisseur séparé, ce qui correspond plus à la tendance actuelle ; - enfin, sa mesure n'est pas très précise, car elle est très indirecte : en particulier on mesure une propriété des fines de retour pour en déduire un indice de qualité d'une autre matière, l'aggloméré marchand.
Buts de l'invention [0018] La présente invention vise à résoudre un des (ou les deux) problèmes industriels précités grâce à un seul dispositif de type capteur spécialement conçu à cet effet.
[0019] En particulier, l'invention vise à développer un capteur basé sur un principe analogue à celui du PERMAGNACTM, mais sans en présenter les inconvénients cités plus haut.
[0020] L'invention vise de manière complémentaire à atteindre les buts suivants : - un contrôle "on-line" de la couche allumée au niveau de la qualité d'allumage globale et/ou en dispersion transversale, ladite section transversale du gâteau étant définie dans un plan orthogonal par rapport à la direction de déplacement du gâteau ; - un contrôle "on-line" du degré de cuisson, global et/ou en dispersion transversale dans les mêmes conditions que ci-dessus ; - la réalisation d'un capteur sans contact direct, ou très limité, avec la matière à tester, donc sans usure, d'où nécessitant peu d'entretien, et sans besoin de dévier en fin de procédé une partie de la matière à tester vers le capteur, d'où un équipement beaucoup plus simple et moins coûteux ;
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- un contrôle "on-line" du degré de cuisson, avec un temps de réponse très court, de préférence inférieur à 30 minutes.
Principaux éléments caractéristiques de l'invention [0021] La présente invention se rapporte à un dispositif pour la mesure continue des propriétés magnétiques d'un gâteau d'agglomération de minerais de fer, ledit gâteau étant obtenu au moyen des opérations successives de dépose sur une bande d'agglomération, formée de préférence d'une grille mobile sans fin, d'une couche perméable d'un mélange comprenant du minerai de fer et du combustible solide, d'allumage de ladite couche au moyen de brûleurs disposés dans une hotte d'allumage et d'aspiration de gaz comburant au travers du mélange pour faire progresser la combustion sur toute l'épaisseur de la couche, selon un front de flamme,
caractérisé en ce qu'il comprend au moins une bobine d'induction parcourue par un courant électrique d'au moins une fréquence donnée et enroulée autour d'un noyau ferromagnétique, de préférence en forme de "U" renversé, dont les extrémités sont tournées vers le gâteau, ledit noyau formant avec le gâteau d'agglomération et les deux entrefers un circuit magnétique fermé dont la réluctance vaut approximativement
RTOTAL = R8 + Rgâteau + R8 + Rfr R8 et R8 étant respectivement les réluctances des deux entrefers noyau-gâteau, Rgâteau étant la réluctance du gâteau d'agglomération et Rfer la réluctance du noyau.
[0022] De préférence, la longueur du circuit magnétique dans le gâteau est au moins 20 fois supérieure à la somme des entrefers.
[0023] Selon une première forme d'exécution préférée de l'invention, ledit dispositif est disposé au-dessus du gâteau d'agglomération, et sis entre la hotté d'allumage et
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l'autre extrémité du gâteau d'agglomération, la-direction passant par les entrefers étant sensiblement parallèle au sens d'avancement de la bande, de manière statique ou mobile.
[0024] Toujours selon l'invention, l'écart entre les deux branches du noyau est compris entre 10 et 500 cm, de préférence entre 20 et 80 cm.
[0025] Avantageusement, la distance moyenne entre le dispositif et le gâteau est comprise entre 0 et 20 cm, de préférence entre 0 et 3 cm.
[0026] Selon une autre caractéristique de l'invention, la bobine d'induction est associée en parallèle avec au moins un condensateur et appartient à un circuit oscillant dont on mesure au moins une fréquence de résonance. De préférence, ce dispositif comprend un seul circuit pour la mesure à deux fréquences distinctes ou deux circuits distincts respectivement pour la mesure à une seule fréquence, propre à chaque circuit.
[0027] Encore avantageusement, le dispositif de l'invention est réglable en hauteur au-dessus de la couche d'agglomération, de préférence sans contact avec ladite couche.
[0028] De manière particulièrement avantageuse, le dispositif roule sur la surface du gâteau d'agglomération, minimisant par ce fait la longueur des entrefers.
[0029] Selon une deuxième forme d'exécution de l'invention, le noyau ferromagnétique, est disposé de telle sorte que la direction joignant les entrefers soit dans un plan perpendiculaire au sens d'avancement de la bande et couvre toute la largeur du gâteau.
[0030] Un deuxième objet de la présente invention est de proposer un procédé de contrôle en ligne de la qualité de l'allumage d'un gâteau d'agglomération de minerais de fer et du degré de cuisson de la couche
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superficielle dudit gâteau caractérisé en ce qu'on utilise un signal de fréquence comprise entre 100 Hz et 100 kHz, de préférence entre 1 kHz et 20 kHz, pour mesurer indirectement au moins une caractéristique physico-chimique dudit gâteau.
[0031] Avantageusement, dans ce cas, on positionne la bobine d'induction à une certaine distance de la hotte d'allumage, ladite distance étant définie par une borne inférieure telle que la température de la surface du gâteau soit inférieure à 200 C et une borne supérieure fixée par la demi-longueur de la bande d'agglomération.
[0032] Un troisième objet de la présente invention est de proposer un procédé de contrôle en ligne du degré de cuisson de la couche d'un gâteau d'agglomération de minerais de fer sur toute son épaisseur, de préférence de contrôle de la qualité de l'aggloméré, caractérisé en ce qu'on utilise un signal de fréquence comprise entre 1 Hz et 1 kHz, de préférence entre 50 Hz et 200 Hz, pour mesurer indirectement au moins une caractéristique physico-chimique dudit gâteau.
[0033] Avantageusement, dans ce cas, on positionne la bobine d'induction dans une zone comprise entre la demi- longueur de la bande d'agglomération et la zone de déchargement.
[0034] De préférence, ladite caractéristique physico-chimique est la teneur en magnétite dudit gâteau.
[0035] Selon l'un ou l'autre des procédés de l'invention, on peut déplacer ledit dispositif transversalement pour obtenir un profil transversal du degré de cuisson.
[0036] Selon l'un ou l'autre des procédés de l'invention, on effectue alternativement les opérations de : - dépose du dispositif sur ledit gâteau ;
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- mesure ; - relèvement dudit dispositif à une certaine hauteur au- dessus dudit gâteau.
Brève description des figures [0037] La figure l.a représente schématiquement une vue en élévation du dispositif de contrôle en ligne de la qualité d'allumage et/ou du degré de cuisson du gâteau d'agglomération selon une forme d'exécution préférée de la présente invention.
[0038] La figure l.b représente schématiquement une vue en plan du dessus du dispositif représenté à la figure l.a.
Description détaillée de l'invention [0039] Selon le procédé de la présente invention, on utilise un dispositif de mesure comprenant une bobine d'induction 1 enroulée autour d'un noyau ferromagnétique 2, par exemple en tôles de transformateur, en forme de "U" renversé, tel que représenté à la figure l.a. L'écart 3 entre les deux branches du "U" est compris entre 10 et 500 cm, de préférence entre 20 et 80 cm. L'ensemble est disposé juste au-dessus de la surface du gâteau d'agglomération 4 chauffé par une hotte d'allumage 5, à une distance verticale de 0 à 20 cm, de préférence de 0 à 3 cm. Au-delà de cette distance, la sensibilité de la mesure devient trop faible. Le gâteau se déplace vers la droite selon la direction 6 sur la figure 1.b. Ainsi, le noyau ferromagnétique forme avec le gâteau d'agglomération un circuit réluctant 7.
[0040] La mesure consiste à évaluer une grandeur physique sensible à la variation de la réluctance dudit
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circuit (comme par exemple la fréquence de résonance d'un circuit oscillant, l'impédance de la bobine, etc.).
[0041] La réluctance du circuit peut s'exprimer comme suit : RTOTAL = R8 + Rgâteau + R8 + Rferi où : - R8 est la réluctance de l'entrefer 8 défini entre une des branches du noyau ferromagnétique et le gâteau, - R8, est la réluctance de l'entrefer 8' défini entre l'autre branche du noyau ferromagnétique et le gâteau, - Rfer est la réluctance du noyau 2, - Rgâteau est la réluctance de la partie du gâteau traversée par le champ magnétique.
[0042] La mesure intéressante est celle de Rgâteau et l'entrefer 8,8' est l'espace d'air entre le noyau ferromagnétique et la surface du gâteau d'agglomération. Il est connu que, pendant la cuisson, le minerai de fer sous forme d'hématite se transforme partiellement en magnétite, qui a des propriétés ferrimagnétiques et dont la réluctance est environ deux fois inférieure à celle de l'air [0043] Rfer étant beaucoup plus faible que les autres termes de par une grande perméabilité magnétique, (réluctance valant environ 500 fois moins que celle de l'air), on a :
RTOTAL R8 + R8 + Rgâteau - [0044] La mesure sera d'autant plus sensible et exploitable que Rgâteau est grand par rapport à R8 + R8 Le "bruit" de la mesure sera d'autant plus faible que la valeur de R8 + R8 est la plus faible et la plus constante possible.
Pour réduire l'espace d'air correspondant aux entrefers 8,8' et le maintenir aussi constant que possible, on peut avantageusement utiliser un dispositif monté sur
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roulettes, qui suit la "topographie" de la surface du gâteau.
[0045] Rgâteau variera essentiellement en fonction de la fréquence du champ magnétique (profondeur de pénétration dans la matière - effet de peau) et de la teneur en magnétite du gâteau, ou plus précisément de la fraction du gâteau qui sera parcourue par le champ magnétique.
[0046] Le but du noyau ferromagnétique en forme de U est de canaliser le flux magnétique et de l'obliger à parcourir dans le gâteau une distance significativement supérieure à la longueur des entrefers (par exemple, un facteur 20). Cela permet de garantir une sensibilité suffisante de la mesure, puisque les perméabilités magnétiques des entrefers et du gâteau contenant de la magnétite sont du même ordre de grandeur.
[0047] Selon l'invention, on peut utiliser ce capteur dans les deux buts cités plus haut : - à "haute fréquence", on mesurera indirectement la teneur en magnétite et donc le degré de cuisson de la couche superficielle du gâteau (contrôle de l'allumage) ; - à "basse fréquence", on mesurera indirectement la teneur en magnétite et donc le degré de cuisson de l'ensemble de la couche déjà cuite (contrôle de la qualité de l'aggloméré).
[0048] Dans les deux cas, outre le fait de s'intéresser à l'état moyen du gâteau de manière globale ou en un point considéré comme représentatif, on peut prévoir un déplacement transversal 9 du capteur pour accéder à une mesure de profil transversal. Cette cartographie transversale permet par exemple de régler les brûleurs de la hotte d'allumage ou encore favoriser la mise en évidence de dérives de fonctionnement.
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[0049] Si le capteur est suspendu juste au-dessus de la surface du gâteau sans contact, le problème d'usure de la bobine, comme avec le PERMAGNACTM, est supprimé.
[0050] Le temps de réponse de la mesure par rapport aux paramètres opératoires du procédé d'agglomération est forcément beaucoup plus court ici que dans le cas du PERMAGNACTM puisque la mesure se fait "on-line", pendant la cuisson, et non après. On a une mesure beaucoup plus directe qu'avec le PERMAGNACTM.
[0051] Si on s'intéresse à la qualité de l'allumage, le capteur peut être placé relativement près de la hotte d'allumage. Cependant, la distance minimale de positionnement doit être telle que la couche investiguée soit complètement cuite. En effet, on ne peut évidemment pas mesurer le degré de cuisson d'une couche visée de x cm d'épaisseur si le front de flamme 10 (figure l.a) n'a pas encore complètement traversé cette zone.
[0052] De plus, pour obtenir une mesure fiable, il convient que la couche investiguée soit suffisamment refroidie pour ne pas subir l'influence de la température sur les propriétés magnétiques de la matière à tester.
[0053] Si on s'intéresse alternativement au degré de cuisson global, on a plutôt intérêt à se placer plus près du déchargement de la bande, où le degré de cuisson de la couche est maximal.
[0054] Si on s'intéresse à la fois au contrôle de l'allumage et à la qualité d'agglomération, on peut soit utiliser un seul système de mesure bi-fréquence, soit deux systèmes mono-fréquence.
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Description de plusieurs formes d'exécution préférées de l'invention [0055] Dans le but de minimiser l'entrefer, le dispositif de l'invention peut fonctionner de plusieurs façons distinctes: - dispositif réglable en hauteur en fonction de la hauteur de couche, éventuellement sans contact (par exemple suspendu) ; - dispositif roulant sur la surface pour minimiser automatiquement la distance entre surface d'aggloméré et capteur sans nécessiter une mesure de distance ou un asservissement particulier ; - capteur alternativement déposé et relevé; - le profil transversal peut être obtenu soit par le mouvement de va-et-vient d'un seul capteur, soit par plusieurs capteurs fixes positionnés en fonction du but poursuivi par la mesure, à intervalles réguliers ou non.
[0056] Si on ne s'intéresse pas au profil transversal, une solution avantageuse consiste à disposer le "U" renversé du circuit ferro-magnétique du capteur dans un plan perpendiculaire au sens d'avancement 6 de la bande, et de lui donner comme largeur celle du gâteau. De cette manière, le capteur peut être totalement fixe et sa mesure fournit un indice global de l'état du gâteau.