Unité de séparation de l'air pour applications dans l'industrie sidérurgique

Pourquoi les aciéries intégrées comptent-elles sur les installations sur site Unités de séparation de l'air

Facteurs opérationnels déterminants : besoins élevés en oxygène, azote et argon, à haut débit et haute pureté

Les aciéries ont besoin de quantités énormes de gaz industriels qui doivent répondre à des normes de pureté très strictes. Prenons par exemple un grand haut-fourneau, qui peut consommer plus de 300 tonnes d’oxygène par heure. Le procédé du four à oxygène basique exige un oxygène d’une pureté d’au moins 99,5 % afin d’obtenir une combustion efficace et de maîtriser correctement la scorie. Pour les opérations de coulée continue, on requiert en réalité de l’argon dont la pureté dépasse 99,999 % lors des procédés de purge à l’azote. Cela permet d’éviter la formation de défauts d’oxydation indésirables dans les plaques d’acier. Compte tenu de ces besoins massifs en volume et de ces spécifications extrêmement exigeantes, la livraison de tous ces gaz en vrac n’est tout simplement pas viable sur le plan pratique. C’est pourquoi la plupart des installations optent pour une production sur site. unités de séparation de l'air (USAs). Ces systèmes donnent aux opérateurs d’usine un contrôle immédiat sur la quantité de gaz produite, la pression à laquelle il est fourni et, surtout, sa pureté. Ce type de souplesse leur permet d’adapter précisément leurs besoins en gaz à ce que la ligne de production exige au jour le jour.

Avantages économiques et fiabilité des USAs cryogéniques par rapport à la livraison de gaz en vrac

Les unités cryogéniques de séparation de l'air offrent des avantages sérieux à long terme par rapport à l'approvisionnement en gaz auprès de fournisseurs externes. Lorsque les entreprises produisent les gaz sur site, elles éliminent tous les coûts supplémentaires liés au transport de matériaux cryogéniques, et il n’est plus nécessaire d’installer des installations spécialisées pour la manutention ou le stockage. Et soyons honnêtes : personne ne souhaite voir ses opérations paralysées par des problèmes de chaîne d’approvisionnement. Les installations nécessitant plus de 2 000 tonnes d’oxygène par jour constatent généralement que l’investissement dans une unité cryogénique de séparation de l’air s’avère très rentable. Des études montrent que ces usines peuvent réaliser des économies de 40 à 60 % sur leurs dépenses en gaz sur une période de dix ans, comparativement à un approvisionnement par livraisons en vrac. Certains systèmes plus récents récupèrent même de l’énergie, notamment grâce à la récupération de chaleur lors des procédés de compression, réduisant ainsi la consommation énergétique globale d’environ 15 %. Mais ce qui compte avant tout, c’est de disposer d’un approvisionnement en gaz fiable, directement là où il est nécessaire. Les usines intégrant ce type d’unité évitent ainsi des arrêts catastrophiques des hauts-fourneaux, dont le coût peut atteindre plusieurs millions d’euros par heure d’indisponibilité.

Applications fondamentales de l’acier dans les unités de séparation de l’air

Enrichissement en oxygène du haut-fourneau : augmentation de la productivité et réduction de la consommation de coke

Les hauts-fourneaux d'aujourd'hui soufflent généralement de l'air enrichi en oxygène, avec une concentration d'oxygène d'environ 25 à 30 %, ce qui augmente nettement la quantité de coke brûlée à l'intérieur. Quel est l'effet ? La production de fonte liquide augmente de 15 à 25 %, mais simultanément, environ 200 à 300 kilogrammes de coke en moins sont nécessaires par tonne produite. Cela se traduit par une réduction des coûts d'exploitation du haut-fourneau et par des émissions de dioxyde de carbone moindres par tonne de fer produite. Lorsque les entreprises installent sur site leurs propres unités de séparation de l'air, elles obtiennent un meilleur contrôle de ce procédé d'enrichissement en oxygène. Ces systèmes permettent de maintenir des flammes intenses et stables à des températures supérieures à 2200 degrés Celsius, sans provoquer de problèmes liés aux fluctuations thermiques. Un meilleur contrôle de la température conduit à un écoulement plus fluide des scories et à une usure réduite des matériaux réfractaires du revêtement du haut-fourneau. Des experts industriels issus d'organisations telles que l'American Iron and Steel Institute ont relevé ces avantages dans leurs lignes directrices opérationnelles, expliquant pourquoi de nombreux producteurs d'acier adoptent cette solution.

Le soufflage de l'oxygène dans le four à oxygène de base (BOF): contrôle de précision avec 99,5% de pureté

Le procédé de fabrication de l'acier BOF nécessite un oxygène très pur, généralement supérieur à 99,5%, pour obtenir des résultats de décarbonation cohérents et efficaces. De petites quantités d'impuretés comme l'azote ou l'humidité peuvent provoquer des réactions d'oxydation imprévisibles qui réduisent en fait les rendements et affectent négativement la qualité de la surface. Les unités de séparation d'air cryogénique fournissent cet oxygène de haute pureté à une pression d'environ 12 à 15 bar par des lances spécialement conçues. Ces lances permettent aux opérateurs de contrôler le mouvement du souffle et le positionnement avec une précision beaucoup plus grande. La précision améliorée réduit les pertes accidentelles d'oxydation du fer d'environ 3 à 5% par rapport à l'utilisation d'oxygène à des niveaux de pureté inférieurs. Cela est très important lors de la production d'aciers qui répondent à des exigences chimiques strictes pour des applications telles que les composants automobiles et les matériaux de tuyauterie où la consistance est absolument critique.

Argon pour la coulée continue et la métallurgie secondaire : maîtrise des inclusions grâce à un gaz d’ultra-haute pureté (99,999 %)

Pour les opérations de métallurgie en poche et de coulée continue, l’argon d’ultra-haute pureté, à un taux supérieur à 99,999 %, est tout simplement indispensable. L’injection de ce gaz dans l’acier en fusion permet d’éliminer l’hydrogène et l’azote indésirables. Parallèlement, il fait remonter vers le haut ces inclusions non métalliques gênantes, telles que l’alumine et les silicates, qui sont alors piégées dans la couche de laitier. Les chiffres comptent également : maintenir l’ensemble des impuretés sous les 10 parties par million fait toute la différence. Même de faibles quantités d’azote peuvent provoquer ces cloques superficielles gênantes, tant dans les aciers inoxydables que dans les aciers électriques. Les usines qui passent à de l’argon issu d’unités de séparation de l’air observent des améliorations spectaculaires. Certaines installations signalent une réduction supérieure à 40 % des rejets liés aux inclusions dans leurs brames et billettes finies. Ces résultats confirment ceux obtenus par l’International Iron and Steel Institute dans son étude récente de référence sur la qualité, publiée en 2023.

Défis liés à l'efficacité énergétique et à l'intégration des unités de séparation de l'air dans les aciéries

Principales sources de pertes d'énergie : destruction d'exergie au niveau du compresseur d'air principal et opportunités de récupération de chaleur

Les unités de séparation de l'air, couramment appelées ASU, rencontrent des problèmes d'efficacité énergétique lorsqu'elles sont intégrées dans des aciéries. Une grande partie du problème réside dans le fonctionnement fondamental de ces systèmes, certains composants perdant de l'efficacité en raison de pertes thermodynamiques inévitables. Prenons par exemple le compresseur d'air principal : il consomme environ 40 % de toute l'électricité utilisée par une ASU. En y regardant de plus près, une grande partie de cette énergie gaspillée provient du processus de compression lui-même, au cours duquel de l'énergie précieuse est perdue sous forme de chaleur. Ce qui suit est également assez gaspilleur. Le système génère de la chaleur résiduelle à haute température, comprise entre 150 et 300 degrés Celsius, mais la plupart des installations la laissent simplement s'échapper dans l'atmosphère au lieu de la valoriser. Certaines entreprises avisées installent désormais des solutions de récupération de chaleur, telles que des cycles organiques de Rankine ou la production de vapeur basse pression à partir de cette chaleur résiduelle. Ces approches permettent effectivement de récupérer environ les deux tiers de l'énergie thermique perdue sur l'ensemble de l'usine. Cela rend non seulement la production d'oxygène environ 20 % moins énergivore, mais réduit aussi considérablement les besoins en eau de refroidissement. Toutefois, faire fonctionner correctement ces systèmes demeure un défi. Les systèmes de commande nécessitent une coordination minutieuse afin que l'ASU puisse ajuster sa production en fonction des demandes changeantes du procédé sidérurgique. En particulier pendant les périodes délicates où les hauts-fourneaux changent de campagne ou où les couleuses sont remplacées, même de faibles fluctuations de pression peuvent compromettre l'intégralité des cycles de production.

FAQ

Pourquoi les aciéries ont-elles besoin de gaz extrêmement purs ?

Les aciéries nécessitent des gaz à haute pureté pour assurer la précision et le contrôle qualité dans la production. L’oxygène, l’azote et l’argon à haute pureté garantissent une combustion optimale, une gestion efficace des scories et empêchent les défauts d’oxydation sur les plaques d’acier.

Quels avantages les unités cryogéniques d’air séparé (ASU) offrent-elles par rapport à la livraison de gaz en vrac ?

Les unités cryogéniques d’air séparé (ASU) offrent fiabilité et efficacité économique. Les installations réalisent des économies sur les coûts de transport et de stockage, tout en évitant les perturbations de la chaîne d’approvisionnement. Les ASU permettent également des économies d’énergie et fournissent en continu des gaz à haute pureté.

Comment l’argon améliore-t-il les opérations de coulée continue ?

L’argon ultra hautement pur réduit les impuretés et les inclusions non métalliques dans l’acier en fusion, pousse ces inclusions vers la couche de scorie et contribue à maintenir la qualité de l’acier. Cela diminue les taux de rejet et améliore la régularité de la production.

Quels sont les défis liés à l’efficacité énergétique auxquels sont confrontées les ASU ?

Unités de séparation de l'air font face à des défis en matière d'efficacité énergétique en raison de pertes thermodynamiques, notamment au niveau du compresseur d'air principal. Des solutions de récupération de chaleur sont mises en œuvre pour atténuer le gaspillage d'énergie et améliorer l'efficacité globale de l'installation.