Gueulard

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Un gueulard de type McKee, sur un des hauts fourneaux du musée Landschaftspark Duisburg-Nord (de).

Le gueulard est le trou au sommet d'un haut fourneau, par où sont chargés le minerai de fer et le coke. C'est également par cet orifice que s'échappe le gaz de haut fourneau, riche en monoxyde de carbone.

La nécessité de charger soigneusement le haut fourneau en matières, combinée avec le besoin de capter de grandes quantité de gaz toxique et combustible, a amené à la conception de systèmes complexes.

Histoire

Le gaz de haut fourneau sortant du gueulard est un gaz pauvre composé essentiellement d'azote (N2) venu des tuyères et qui traverse la charge sans réagir, de monoxyde de carbone (CO) et de dioxyde de carbone (CO2). Jusqu'au milieu du XIXe siècle, les gaz étaient évacués par une courte cheminée à la sortie de laquelle ils brûlaient librement[1]. Mais l'apparition simultanée de deux besoins en combustible, les soufflantes qui remplacent les roues à aubes devenues incapables de pousser le vent à travers un four de plus en plus gros et haut et la généralisation du vent chaud rendent sa valorisation intéressante[2].

C'est en mars 1850[3], avec la mise au point du mécanisme « Cup and Cone » par George Parry qu'apparait enfin une technologie qui permet à la fois une récupération satisfaisante des gaz et un enfournement contrôlé de matières. Parry, alors directeur du laboratoire de chimie de l'usine sidérurgique d'Ebbw Vale[4] met au point un obturateur conique[5],[6] qui synthétise de nombreux essais faits en Europe.

Au début du XXe siècle le gueulard de Parry est amélioré par McKee, avec un système de deux cloches superposées, la cloche supérieure répartissant la matière, l'inférieure assurant l'étanchéité, l'ensemble se comportant comme un sas[7]. Ce système ainsi que ses variantes, qui améliore encore l'étanchéité et la régularité de l'alimentation en matière, devient incontournable jusque dans les années 1970. À cette époque, le diamètre et la pression des hauts fourneaux augmentant, des gueulards à 3 ou 4 cloches s'imposent pour garantir une distribution plus homogène des matières et une meilleure étanchéité. Les poids croissants de cette construction (composée d'éléments de 120 tonnes… à hisser jusqu'au sommet du haut fourneau), limitent alors la taille des hauts fourneaux[8].

Si les gueulards à cloches existent encore au début du XXIe siècle, l'invention par la société luxembourgeoise Paul Wurth du gueulard sans cloche marque, au début des années 1970, une rupture dans la conception des hauts fourneaux modernes. En effet, de par leur conception, les systèmes à cloches ne peuvent garantir une bonne étanchéité : la portée circulaire assurant l'étanchéité subit l'usure ou les garnis dus au passage de la matière, toute fuite entraine des poussières abrasives qui aggravent le phénomène, les circularités sont difficiles à garantir, etc.

Le gueulard sans cloche consiste en un ou plusieurs silos qui, après avoir été mis à la pression du haut fourneau, se vidangent progressivement dans le haut fourneau, la chute des matières étant canalisée par une goulotte orientable[8]. Ce système et ses dérivés se généralisent depuis[9]. En effet, quoique plus complexe que les cloches, sa légèreté et sa polyvalence sont incontournables à l'alimentation des hauts fourneaux géants (de plus de 8 000 tonnes/jour), tandis que son étanchéité permet des fonctionnements à haute pression (3 bar) qui améliorent la productivité de la cuve[10].

  • Plan du gueulard à cloche de George Parry, en 1850 (gueulard cup and cone).
    Plan du gueulard à cloche de George Parry, en 1850 (gueulard cup and cone).
  • Plan du gueulard à deux cloches de McKee, vers 1910.
    Plan du gueulard à deux cloches de McKee, vers 1910.
  • Haut fourneau équipé d'un gueulard à deux cloches.
    Haut fourneau équipé d'un gueulard à deux cloches.
  • Cloche inférieure du haut fourneau n°5 au Landschaftspark de Duisbourg.
    Cloche inférieure du haut fourneau n°5 au Landschaftspark de Duisbourg.
  • Haut fourneau équipé d'un gueulard fermé, sans cloche (conception moderne, se généralisant depuis 1975).
    Haut fourneau équipé d'un gueulard fermé, sans cloche (conception moderne, se généralisant depuis 1975).

Défis techniques

Le gaz de haut fourneau a un pouvoir calorifique faible (3 000 kJ/Nm3 pour un haut fourneau moderne) mais représente une fraction significative (≈30 %) du bilan thermique du haut fourneau. Sa récupération suppose de pouvoir le capter sans perturber le chargement en matière solide[11].

C'est pendant la Seconde Guerre mondiale qu'apparait le premier haut fourneau fonctionnant avec une haute pression au gueulard (elle peut atteindre 3 bar sur les hauts fourneaux modernes. La pression au gueulard est appelée aussi la « contre-pression » car elle s'oppose à l'injection du vent au tuyères. Cette technique a été employée la première fois au HF5 de la Republic Steel Corporation à Cleveland, dans l'Ohio. L'inventeur en est Julian M. Avery[12]. Cette augmentation de la pression de fonctionnement décale vers le haut toutes les pressions dans l'appareil. Les réactions chimiques et les échanges thermiques sont plus rapides, ce qui augmente la productivité de l'appareil[13].

Références

  1. ↑ (en) Hilary Bauerman, F.G.S (ill. J. B. Jordan), A treatise of the Metallurgy of Iron, Londres, Crosby Lockwood and Son, coll. « Weale's scientific & technical series / Mining and metallurgy », , 6e éd. (1re éd. 1868) (lire en ligne), p. 173
  2. ↑ Adolf Ledebur (trad. Barbary de Langlade revu et annoté par F. Valton), Manuel théorique et pratique de la métallurgie du fer, Tome I et Tome II, t. 1, Librairie polytechnique Baudry et Cie éditeur, [détail des éditions], p. 439-440
  3. ↑ John Percy (trad. traduction supervisée par l'auteur), Traité complet de métallurgie, t. 3, Paris, Librairie polytechnique de Noblet et Baudry éditeur, (lire en ligne), p. 227
  4. ↑ (en) « Ebb Vale Iron & Steel Works ; Where it all began 213 years ago »,
  5. ↑ (de) Otto Johannsen, Geschichte des Eisens, Düsseldorf, Verlag Stahleisen mbH, , 3e éd., p. 371-372
  6. ↑ (en) Thomas Turner (dir.), The metallurgy of iron: By Thomas Turner… : Being one of a series of treatises on metallurgy written by associates of the Royal school of mines, C. Griffin & company, limited, coll. « Griffin's metallurgical series », , 3e éd., 463 p. (ISBN 1177692872 et 978-1177692878, lire en ligne), p. 28
  7. ↑ (en) Johnson Joseph Esrey Jr, Blast-furnace construction in America, McGraw-Hill Book Company, (lire en ligne), p. 76-80
  8. ↑ a et b (de) Roger Kneip, « Aus der Geschichte der Stahlindustrie - Über 25 Jahre glockenloser Gichtverschluss » (consulté le )
  9. ↑ [PDF](en) Best Available Techniques (BAT) Reference Document for Iron and Steel Production, Direction régionale de l'environnement, de l'aménagement et du logement, , 597 p. (lire en ligne), p. 326
  10. ↑ (de) Hans Schoppa, Was der Hochöfner von seiner Arbeit wissen muss, Düsseldorf, Verlag Stahleisen mbH, , 4e éd. (ISBN 3-514-00443-9)
  11. ↑ [PDF]Patrick Dhelft, « Épuration du gaz de haut fourneau », dans Techniques de l'ingénieur Elaboration et recyclage des métaux, Éditions techniques de l'ingénieur, (lire en ligne)
  12. ↑ [PDF]Jacques Corbion (préf. Yvon Lamy), Le savoir… fer — Glossaire du haut-fourneau : Le langage… (savoureux, parfois) des hommes du fer et de la zone fonte, du mineur au… cokier d'hier et d'aujourd'hui, 5, [détail des éditions] (lire en ligne), p. 3598-3599
  13. ↑ (en) Julius H. Strassburger, Blast Furnace-theory and Practice, vol. 1, Gordon and Breach Science Publishers, , 1040 p. (ISBN 0677104200 et 9780677104201), p. 952

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