Qu’est-ce que l’industrie DRI ?

L'industrie DRI fait référence au segment de la métallurgie de l'acier dédié à la production de fer réduit directement en convertissant le minerai de fer en fer métallique de haute pureté par réduction à base de gaz ou de charbon à des températures inférieures au point de fusion du fer. Ce processus évite entièrement la voie du haut fourneau, s'appuyant plutôt sur la réduction des gaz générés à l'intérieur des systèmes de reformage pour éliminer l'oxygène des boulettes de minerai de fer ou du minerai en morceaux. Des équipements tels que le tube du reformeur DRI, le corps du four à cuve et le réseau de chauffage associé forment l'épine dorsale de chaque ligne de production DRI, et la fiabilité de ces composants détermine à la fois la qualité de la production et les coûts d'exploitation.

Itinéraires technologiques de base et configuration des processus dans l'industrie DRI

Les procédés de four à cuve à base de gaz représentent environ 75,8 % de la capacité de production mondiale de DRI, MIDREX et Energiron représentant les deux concédants de licence technologiques dominants. La chaîne complète du processus comprend quatre étapes reliées entre elles : la réduction à l'intérieur du four à cuve, le reformage du gaz dans des tubes de réaction remplis de catalyseur, la récupération de la chaleur résiduelle par la section de convection et le briquetage ou refroidissement final. Parce que la réduction de la qualité du gaz détermine l’ensemble de la chaîne, le réseau de tubes du reformeur se situe au centre de la performance du processus.

Les procédés de four à cuve à base de gaz dominent l'industrie du DRI car ils combinent une efficacité thermique élevée avec des formes de sortie flexibles, notamment le DRI à froid, le DRI à chaud et le fer briqueté à chaud. La préparation du gaz réducteur est le cœur opérationnel de cette voie : le gaz naturel se mélange au gaz de four recyclé et circule dans des tubes de reformage remplis de catalyseurs à base de nickel, produisant un flux de réaction riche en hydrogène qui effectue la réduction proprement dite à l'intérieur du four à cuve.

Normes de fabrication pour les composants de tubes de reformage DRI et de tubes de catalyseur

Le tube du reformeur DRI est le noyau sous pression du four de reformage, exposé à des températures de gaz internes supérieures à 900 °C, à la chaleur radiante directe des brûleurs externes, à une pression interne soutenue et à l'usure mécanique du lit catalytique. Un processus de tube de four de coulée centrifuge est une pratique standard pour ce composant car il produit une microstructure de paroi dense et une structure de grain raffinée, ce qui se traduit directement par une résistance au fluage et à l'oxydation plus fortes par rapport à la coulée statique.

La sélection des matériaux se concentre généralement sur des alliages résistants à la chaleur à haute teneur en nickel-chrome, tels que les qualités HP et HK, contenant 25 à 35 pour cent de chrome et 35 à 45 pour cent de nickel, avec du niobium, du tungstène et du titane ajoutés pour renforcer les joints de grains. La même technologie de tube catalytique prend également en charge le tube de reformage de génération d'hydrogène utilisé dans les unités de production d'hydrogène, puisque les deux applications partagent des exigences thermiques et de pression presque identiques.

• Température de fonctionnement : interne 900 à 1050°C, avec température de paroi atteignant 1100°C
• Exigences de pression : doit résister à la pression interne du gaz réducteur combinée au poids du lit de catalyseur
• Norme de matériau : alliage à haute teneur en nickel-chrome résistant à la chaleur avec structure dense en fonte centrifuge
• Durée de vie : cycle de fonctionnement typique d'environ 8 à 12 ans
• Processus de fabrication : coulée centrifuge, usinage de précision et tests non destructifs

Les modes de défaillance dans le service des tubes à réaction comprennent principalement la déformation par fluage, la fissuration par fatigue thermique, la fragilisation par carburation et l'écaillage des calamines d'oxyde. Ces risques sont traités grâce à des taux de refroidissement de coulée contrôlés, des ratios d'alliage optimisés et une inspection rigoureuse de chaque plaque tubulaire, collecteur et connexion de collecteur avant que l'assemblage ne quitte l'usine.

Série de produits en vedette pour les systèmes de chauffage DRI et à feu

Les lignes d'équipement suivantes couvrent le réseau de tubes du reformeur, le corps du four à cuve et les systèmes de chauffage et de craquage associés utilisés dans les usines DRI, les unités d'éthylène et les opérations de raffinage.

Tube de reformage DRI

Industrie DRI

Four DRI

Industrie DRI

Tube réformateur

Tube de four

Tube de craquage (bobine radiante)

Industrie de l'éthylène

Four de craquage d'éthylène

Industrie chimique

Conception structurelle du four DRI et des systèmes de chauffage associés

Un four à cuve DRI à base de gaz est construit comme une cuve cylindrique à revêtement réfractaire. Les boulettes de minerai de fer ou le minerai en morceaux se chargent par le haut et descendent par gravité, rencontrant le gaz réducteur s'écoulant vers le haut selon un schéma à contre-courant qui complète la réaction de réduction. L'ingénierie des systèmes de chauffage à feu supportant ce four doit tenir compte du rapport hauteur/diamètre de l'arbre, de la distribution uniforme du gaz sur toute la section transversale, de la vitesse de descente de la charge contrôlée et d'un système d'étanchéité dynamique fiable aux points de chargement et de décharge.

Beaucoup de ces systèmes partagent une logique d'ingénierie avec un réchauffeur à feu pour le service des raffineries de pétrole et un réchauffeur à feu pour le service de l'industrie pétrochimique, puisque tous trois reposent sur une section radiante, une section de convection et un EPC précis pour la coordination au niveau du four de craquage de l'éthylène entre la conception du corps du four, la métallurgie des tubes et la disposition du brûleur. La livraison complète du projet, depuis la conception du processus jusqu'à l'installation et la mise en service, permet à ces pièces de four interconnectées de fonctionner comme un système unique et fiable.

Tendances en matière de transformation verte et d’ingénierie dans l’industrie du DRI

L’industrie mondiale du DRI s’oriente vers des opérations à plus faibles émissions de carbone. Le DRI conventionnel à base de gaz naturel produit déjà des émissions de CO2 nettement inférieures à celles des hauts fourneaux, et la technologie DRI construite autour d’hydrogène 100 % vert comme agent réducteur est considérée comme une voie de premier plan pour la décarbonisation du secteur sidérurgique. Les principaux concédants de licence de procédés ont développé des configurations d'usine capables de basculer de manière flexible entre le gaz naturel, l'hydrogène et le gaz de synthèse comme réducteurs, gardant ainsi la porte ouverte pour une transition complète vers une réduction à base d'hydrogène sans reconstruire le four à cuve lui-même.

La flexibilité à l’échelle de l’usine est un deuxième avantage de la voie DRI. Alors qu'une combinaison de haut fourneau et de four à oxygène de base a généralement besoin d'une production annuelle proche de 2 millions de tonnes pour rester économique, une usine DRI associée à un four à arc électrique peut démarrer ses opérations à partir d'aussi peu que 0,5 million de tonnes par an. Cela rend l’industrie DRI particulièrement pratique pour les régions disposant de ressources dispersées en minerai de fer ou d’un approvisionnement limité en gaz naturel et en hydrogène, soutenant les mini-aciéries à une échelle de capital beaucoup plus petite.

Foire aux questions

Quels matériaux sont généralement utilisés pour fabriquer des tubes de reformage DRI

Les tubes de reformage DRI sont généralement fabriqués à partir d'alliages à haute teneur en nickel-chrome résistants à la chaleur tels que les qualités HP et HK en utilisant la technologie de coulée centrifuge, leur permettant de résister à des températures de fonctionnement supérieures à 900°C et à une pression de gaz interne soutenue.

Ce qui distingue un four DRI d'un appareil de chauffage conventionnel

Un four DRI est un réacteur à cuve construit spécifiquement pour la réduction directe du minerai de fer, défini par un contact gaz-solide à contre-courant, un système d'étanchéité dynamique et un revêtement réfractaire. Cela diffère fondamentalement d'un chauffage à feu conventionnel, tant par le principe du processus que par la conception structurelle.

Quelle est la composition typique du gaz réducteur dans les procédés DRI à base de gaz

Les gaz de réduction dans les procédés DRI à base de gaz comprennent généralement environ 55 % d'hydrogène et 36 % de monoxyde de carbone, avec un rapport H2/CO proche de 1,5, générés par le reformage catalytique du gaz naturel à l'intérieur des tubes du reformeur.

Quelles sont les principales formes de produits DRI

Le DRI est produit sous trois formes principales : le DRI froid, le DRI chaud et le fer briqueté chaud. Le fer briqueté chaud est fabriqué en comprimant le DRI chaud en briquettes denses pour un stockage et un transport plus sûrs.

Quelle est la durée de vie typique d’un tube Reformer

Dans des conditions normales de fonctionnement, un tube de reformage dure généralement environ 8 à 12 ans, en fonction de la température de fonctionnement, des fluctuations de pression, de la fréquence de remplacement du catalyseur et de la qualité d'alliage spécifique utilisée.

Quels avantages environnementaux le procédé DRI offre-t-il par rapport à la fabrication d'acier dans les hauts fourneaux ?

Le processus DRI consomme environ la moitié de l’énergie du haut fourneau et génère des émissions de CO2 nettement inférieures. Lorsqu'elle est associée à 100 % d'hydrogène comme agent réducteur, des émissions de carbone proches de zéro deviennent réalisables, ce qui en fait une voie essentielle pour la décarbonisation de l'industrie sidérurgique.