Ferromanganèse
élaboré au haut fourneau
par
Edmond TRUFFAUT
Ancien Directeur Recherche et Développement de la société
du Ferromanganèse de Paris et Outreau
1.
1.1
1.2
1.3
1.4
Ferromanganèse .......................................................................................
Ferro-alliages manganésés et sidérurgie ..................................................
Historique de la production ........................................................................
Procédés d’élaboration ...............................................................................
Matières premières......................................................................................
2.
2.1
Bases de l’élaboration du ferromanganèse au haut fourneau ....
Réduction des oxydes de manganèse .......................................................
2.1.1 Oxydes de manganèse supérieurs....................................................
2.1.2 Réduction de l’oxyde manganeux MnO ...........................................
2.1.3 Fonctionnement de la zone d’élaboration ........................................
Bilan matière ................................................................................................
Bilans thermiques global et étagé..............................................................
2.3.1 Bilan thermique global.......................................................................
2.3.2 Bilan thermique étagé ........................................................................
Comparaison haut fourneau à ferromanganèse, haut fourneau à fonte
et four électrique de réduction ...................................................................
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
9
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
Production du ferromanganèse au haut fourneau .........................
Composition et préparation du lit de fusion .............................................
3.1.1 Calcul de la charge .............................................................................
3.1.2 Préparation de la charge ....................................................................
Réglage du haut fourneau ..........................................................................
Coulée du métal et du laitier.......................................................................
Composition du laitier final ........................................................................
Bilan manganèse détaillé............................................................................
Bilan énergétique.........................................................................................
—
—
—
—
—
—
—
—
—
10
10
10
10
10
11
11
12
13
4.
4.1
4.2
4.3
Technologie du haut fourneau à ferromanganèse..........................
Haut fourneau ..............................................................................................
Chauffage du vent. Augmentation de la température de flamme...........
Épuration et valorisation du gaz de haut fourneau ..................................
—
—
—
—
13
13
13
15
5.
Évolution du procédé..............................................................................
—
15
2.2
2.3
2.4
3.
3.1
M 2 445
4 - 1989
Pour en savoir plus...........................................................................................
M 2 445 -2
—
2
—
2
—
2
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3
3
3
3
4
4
5
6
6
7
Doc. M 2 445
e manganèse est indispensable dans la fabrication de l’acier. Utilisé d’abord
comme agent désoxydant et désulfurant, l’évolution des techniques
d’aciéries (des premiers procédés Bessemer, Thomas et Martin, à la conversion
par l’oxygène pur) l’ont progressivement amené au rôle principal d’élément
d’alliage. Ainsi, la teneur moyenne en manganèse de l’acier produit dans le
monde est de 0,5 à 0,6 % et la sidérurgie représente 95 % de son marché.
L
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M 2 445 − 1
FERROMANGANÈSE ÉLABORÉ AU HAUT FOURNEAU
__________________________________________________________________________________________
1. Ferromanganèse
Après 1950, la mise en exploitation de nouveaux et puissants
gisements de minerais de manganèse, l’installation au bord de l’eau
des usines sidérurgiques et le développement du trafic maritime ont
favorisé l’implantation d’usines productrices de ferromanganèse
utilisant le four électrique dans les pays producteurs de minerai.
1.1 Ferro-alliages manganésés
et sidérurgie
Commercialement, le manganèse se présente sous forme de
ferro-alliages composés de manganèse, fer et carbone, éventuellement de silicium en teneur significative. Classés dans l’ordre
croissant des coûts de production et des contenus énergétiques (qui
est aussi l’ordre croissant des teneurs en manganèse et silicium, et
l’ordre décroissant pour les teneurs en carbone), on trouve les
(0)
différents ferro-alliages manganésés du tableau 1.
Tableau 1 – Classement des ferro-alliages manganésés
Ferro-alliages
Mn
(%)
C
(%)
Si
(%)
Spiegels.................................................
6 à 30
4à5
0,5 à 1
Ferromanganèse carburé ....................
76 à 80
6-7
0,3 à 1
Silicomanganèse ..................................
65 à 70
1à2
15 à 20
Ferromanganèse à bas carbone..........
80 à 85
0,1 à 1
0,1 à 1
Manganèse métal.................................
95 à 98
0,1
0,1
Manganèse pur.....................................
99,9
Associée à l’élaboration d’acier au four Martin, la consommation
de spiegel est en voie de disparition : il n’en sera plus question ici.
Le ferromanganèse carburé est le plus important des ferro-alliages
manganésés, et le plus utilisé : 5 kg/t d’acier contre 1 kg pour le
silicomanganèse et moins de 1 kg pour l’ensemble des ferromanganèses à basse teneur en carbone et du manganèse métal. Sa
fabrication au haut fourneau est classique. En revanche, celle du
silicomanganèse ne l’est plus : le contenu énergétique du produit
dépassant habituellement les possibilités du haut fourneau.
Les ferro-alliages à basse teneur en carbone ne peuvent être
élaborés en présence d’un excès de carbone : leur production au
haut fourneau est donc exclue.
La métallurgie du ferromanganèse s’apparente beaucoup à celle
de la fonte mais avec des différences importantes. Nous nous
sommes attachés dans ce qui suit aux aspects particuliers de la
métallurgie du manganèse au haut fourneau. Le lecteur pourra
compléter son information en consultant les articles [M 760] [M 770]
de ce traité consacrés à l’élaboration de la fonte.
1.2 Historique de la production
Les premières fabrications de ferromanganèse carburé ont été
réalisées en Allemagne et en France à partir de 1875, au creuset puis
au haut fourneau. La consommation spécifique de coke dépassai
2 500 kg par tonne d’alliage atteignant difficilement 70 % de
manganèse. À partir de 1900, le four électrique inventé, la fabrication
par électrothermie devenait possible (article Ferro-alliages par
électrométallurgie [M 2 440] dans ce traité).
On reconnaît trois sites possibles pour l’usine productrice de
ferromanganèse : à proximité de l’aciérie consommatrice, dans
une région où l’énergie est bon marché, sur le gisement de minerai
de manganèse.
La production s’est donc logiquement développée au haut
fourneau dans les zones sidérurgiques : européennes, russes et
nord-américaines, et au four électrique en Norvège, pays riche en
hydro-électricité bon marché.
M 2 445 − 2
La fabrication du ferromanganèse au haut fourneau a continué à
se développer dans les pays où elle avait pris naissance, dans des
hauts fourneaux de fonte en fin de campagne, puis dans des
appareils spécialisés intégrés à l’usine consommatrice ou
indépendants, bénéficiant des recherches et progrès réalisés en
sidérurgie [1] [2] [3] [4] [5] [6].
Seuls, les États-Unis ont, pour des raisons économiques qui leur
sont propres, complètement abandonné la fabrication, demandant
au marché international d’assurer leurs besoins.
En volume, la production de ferromanganèse a suivi celle de
l’acier, au moins jusqu’en 1970 ; au-delà, les perfectionnements des
techniques d’aciérie ont freiné cette évolution. Le haut fourneau,
quant à lui, a vu sa production s’accroître mais sa part relative
diminuer.
1.3 Procédés d’élaboration
On a vu précédemment les circonstances historiques qui ont
permis le développement des deux procédés d’élaboration : haut
fourneau et four électrique.
L’un et l’autre présentent des avantages et l’on a noté au profit
du four électrique [7] :
— la possibilité d’installations de taille moyenne, au prix d’un
investissement modéré ;
— la facilité que procure l’élaboration simultanée de ferromanganèse et d’un laitier riche en manganèse recyclable en fabrication
de silicomanganèse (meilleure utilisation globale du manganèse).
Ainsi, la possibilité d’un investissement réduit a-t-elle permis une
large diffusion du procédé du four électrique, au moment où de
nouveaux gisements de manganèse étaient mis en exploitation, en
Afrique, en Amérique centrale, en Amérique du Sud et en Australie.
Mais en même temps, l’internationalisation du marché du
manganèse, l’augmentation de taille des usines sidérurgiques
consommatrices, la souplesse des transports maritimes ont permis
au haut fourneau de bénéficier pleinement de sa capacité importante
de production annuelle en proposant des tonnages à la mesure des
demandes du marché. En réaction, la taille des fours électriques a
augmenté mais aussi la complexité de l’installation et son coût.
Aujourd’hui, le four électrique couvre une gamme de capacité
unitaire de 10 à 120 kt/an, le haut fourneau de 80 à 300 kt/an.
En ce qui concerne la consommation d’énergie, l’équation économique de comparaison entre haut fourneau et four électrique
s’écrit en simplifiant :
coût de l’énergie au haut fourneau = coût de l’énergie au four
électrique
soit :
[coke – gaz coproduit] = [énergie électrique + coke (ou charbon)
+ électrodes]
Suivant les époques et les coûts pratiqués localement pour les
différentes formes d’énergie, l’avantage est à l’un ou l’autre des
procédés.
L’incertitude du prix de l’énergie et son impact sur le coût de
production peuvent amener l’opérateur à changer de procédé [8].
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1.4 Matières premières
Quatre types de matières premières interviennent dans la
constitution du lit de fusion du haut fourneau à ferromanganèse :
— coke ;
— minerais de manganèse ;
— fondants ;
— minerai de fer.
Ces matières premières sont celles utilisées par la sidérurgie
(articles Ferro-alliages par électrométallurgie [M 2 440] et Minerais
et fondants [M 7 040] dans le présent traité) ; mais les réactions
mises en jeu par le procédé et l’analyse du produit final conduisent
à en préciser les spécifications sur quelques points particuliers.
■ Le coke utilisé est un coke sidérurgique de bonne qualité, à
teneurs contrôlées en cendres et phosphore ; des teneurs trop élevées augmentent respectivement les pertes en manganèse par le
laitier et la teneur en phosphore du métal.
Une granulométrie trop faible du coke (diamètre moyen inférieur
à 50 mm par exemple) diminue la productivité du haut fourneau.
■ Le minerai de manganèse a idéalement une granulométrie
moyenne comprise entre 20 et 50 mm, une résistance mécanique
suffisante et un comportement à chaud (décrépitement) évitant la
formation de fines dans le haut fourneau.
Trop fin, il doit être aggloméré avant chargement.
Une teneur minimale en manganèse (≈ 40 %) est nécessaire ainsi
qu’un rapport massique Mn/Fe compris entre 5,5 et 7,5 pour obtenir
le ferromanganèse à l’analyse recherchée. On utilisera donc
avantageusement un mélange de minerais plus ou moins riches en
fer pour atteindre le rapport massique Mn/Fe visé.
Les éléments de gangue du minerai peuvent être utiles à la
formation du laitier (CaO, MgO, BaO) ou pénalisants s’ils augmentent
la quantité de laitier et la perte en manganèse (alumine et silice).
Le phosphore et tous les métaux plus réductibles que le manganèse contenus dans le minerai passeront intégralement dans le
métal où ils seront des éléments d’impureté peu souhaités par
l’aciériste consommateur.
La teneur en alcalins (Na2O et K2O) des minerais de manganèse,
qui en sont quelquefois fort riches (1 % et plus), mérite une
surveillance particulière : trop élevée, elle peut être à l’origine d’un
fonctionnement perturbé du haut fourneau.
■ Les fondants, castine et dolomie, plus rarement quartzite, ne
posent généralement pas de problèmes par leur présentation
physique ou leur composition chimique.
Leur décarbonatation sera facilitée par un calibrage entre 10
et 25 mm.
■ Le minerai de fer n’entre dans la composition du lit de fusion que
si les minerais de manganèse ne contiennent pas suffisamment de
fer. Auquel cas les minerais de fer calibrés ou agglomérés disponibles sur le marché conviennent parfaitement.
■ Enfin, de façon générale, la régularité des teneurs en eau, présentation physique, composition chimique et homogénéité des lots de
matières premières est une condition du bon fonctionnement du
haut fourneau et de l’économie de la fabrication.
2. Bases de l’élaboration
du ferromanganèse
au haut fourneau
2.1 Réduction des oxydes de manganèse
2.1.1 Oxydes de manganèse supérieurs
Parmi les trois oxydes supérieurs de manganèse, MnO2 , Mn 2O3 ,
Mn3O4 , le bioxyde de manganèse MnO2 est le moins stable ; il se
décompose sous l’effet d’un simple échauffement dès 300 oC en
sous-oxyde et en oxygène. Au contact du gaz réducteur encore très
chaud qui sort à la partie supérieure du haut fourneau et dès que
la charge de minerai est sèche, intervient la réaction :
MnO2 + CO → MnO + CO2
Le déclenchement de cette réaction est d’autant plus brutal que
le minerai est plus riche en MnO2 et plus divisé (granulométrie et
porosité). Cette réaction contribue de façon sensible à l’échauffement du gaz en provoquant une variation brutale de son pouvoir
calorifique.
La réduction des oxydes supérieurs de manganèse peut également procéder par étape suivant les réactions exothermiques
ci-après :
2MnO2 + CO → Mn2O3 + CO2
3Mn2O3 + CO → 2Mn3O4 + CO2
Mn3O4 + CO → 3MnO + CO2
Mn3O4 , le plus stable des trois oxydes, est réduit en MnO dans
l’intervalle de température 850 à 1 050 oC. À 1 100 oC, après une
réaction facile et fortement exothermique, la réduction des oxydes
supérieurs de manganèse est achevée.
Simultanément sont acquis à ce niveau de température
(1 200 oC) :
— le départ de l’eau de constitution des minerais ;
— la décarbonatation des fondants calcaires, éventuellement
des carbonates contenus dans les minerais :
CO3Ca → CaO + CO2
CO3Mg → MgO + CO2
CO3Ba → BaO + CO2
— la réduction des oxydes de fer présents dans le lit de fusion
en fer métallique :
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
— la régénération de CO à partir d’une fraction du CO2 formé
par les réactions précédentes avec le carbone du coke :
CO 2 + C! 2CO
Cette réaction consommatrice de carbone est responsable d’une
augmentation de la consommation spécifique de coke. Elle peut être
modérée par le chargement d’un lit de fusion peu carbonaté et
pauvre en silice, par l’emploi d’un coke peu sensible à la carboxyréactivité, mais surtout par un bon réglage de la répartition radiale
du lit de fusion au gueulard du haut fourneau, optimisant la
distribution du gaz dans la charge de minerai à réduire.
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M 2 445 − 3
FERROMANGANÈSE ÉLABORÉ AU HAUT FOURNEAU
__________________________________________________________________________________________
2.1.2 Réduction de l’oxyde manganeux MnO
La réduction de MnO en Mn métal demande un potentiel réducteur
très élevé et n’est possible que par le carbone solide. La réaction
ne s’amorce qu’à haute température ; elle est fortement endothermique (figure 1).
Des équations de variation d’énergie libre des réactions de
réduction de MnO :
MnO + C → Mn + CO
2MnO + 8/3C → 2/3Mn3C + 2CO
permettent de calculer des températures d’amorçage des réactions
de 1 420 et 1 223 oC (figure 2) ; la thermodynamique montre que,
dans les conditions industrielles du haut fourneau, la réduction ne
commence qu’à 1 310 oC.
À cause de la forte endothermicité de la réduction de MnO, la
consommation spécifique de coke (mise au mille coke) nécessaire
à l’élaboration d’une tonne de ferromanganèse est 2 à 3 fois
supérieure à celle qui est nécessaire à la production d’une tonne de
fonte.
Il résulte de ce qui précède la possibilité d’un découpage du haut
fourneau en deux zones :
— une zone d’élaboration, forte consommatrice d’énergie, où
MnO est réduit par le carbone solide en manganèse ;
— une zone de préparation excédentaire en énergie et en gaz
d’où les oxydes supérieurs de manganèse sortent à l’état MnO et
les oxydes de fer à l’état de fer métal (figure 3).
2.1.3 Fonctionnement de la zone d’élaboration
La température de 1 100 oC marque sensiblement le passage de
l’une à l’autre zone. Avant que la température de 1 310 oC soit
atteinte et que la réduction en manganèse métal puisse s’amorcer,
le ramollissement et la fusion des minerais de manganèse permettent la combinaison d’une partie du MnO avec la silice présente
dans le lit de fusion. Un laitier primaire, très riche en MnO, se
forme et s’écoule entre les morceaux de coke surchauffés par le
flux gazeux ascendant.
Les réductions de MnO et d’une certaine quantité de silice (facilitées par la présence de fer métallique carburé), la digestion progressive des oxydes basiques CaO, MgO par un laitier qui tend
vers sa composition finale s’effectuent au fur et à mesure que
s’établit un équilibre métal-laitier, fixant les pourcentages en Mn et
Si du ferromanganèse et en MnO et SiO2 du laitier. L’évolution vers
cet équilibre se poursuit, mais plus difficilement, dans le creuset du
haut fourneau lorsque les gouttes de métal formé traversent la
couche de laitier (réacteur non brassé).
Les partages du manganèse et du silicium entre métal et laitier
sont alors fixés par la réaction :
Figure 1 – Diagramme d’équilibre pour les oxydes de manganèse
2MnO + Si ! SiO 2 + 2Mn
Une température élevée de la zone d’élaboration et un indice de
basicité :
SiO2 /(CaO + MgO)
Figure 2 – Variation d’énergie libre de la réduction
de l’oxyde de manganèse par le carbone
M 2 445 − 4
du laitier faible favorisent le passage du manganèse dans le métal ;
la teneur en Mn du laitier variant comme la basicité du laitier et en
sens inverse de la teneur en silicium du métal (figures 4a et b ).
La comparaison des variations d’énergie libre en fonction de la
température lors de la réduction des oxydes par le carbone montre
que Fe, Ni, Co, Cr, P, etc., étant plus facilement réduit que Mn, on
retrouvera tous ces éléments avec un rendement de 100 % dans le
ferromanganèse produit, s’ils sont présents dans le lit de fusion
(figure 5).
Un autre aspect de la zone d’élaboration est la volatilisation du
manganèse (température d’ébullition : 2 040 oC). Le manganèse
volatilisé est entraîné par le gaz vers le gueulard du haut fourneau
d’où il est évacué après oxydation sous forme de poussière : il est
perdu pour le ferromanganèse. Une élévation de température dans
la zone d’élaboration favorise cette volatilisation, mais une diminution de mise au mille coke (et du rapport volumique coke/minerai
qui en résulte) peut la corriger sensiblement par filtration du gaz.
La forte consommation d’énergie donc une mise au mille de
coke élevée, et la récupération partielle dans le métal du manganèse chargé au gueulard caractérisent l’élaboration du ferromanganèse au haut fourneau et constituent les deux postes majeurs
qui contrôlent l’économie du procédé.
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__________________________________________________________________________________________ FERROMANGANÈSE ÉLABORÉ AU HAUT FOURNEAU
Figure 3 – Schéma de l’élaboration
du ferromanganèse au haut fourneau
La régularité de la distribution des matières premières et de la
répartition gazeuse sur toute la section du haut fourneau est un
facteur essentiel de leur optimisation.
2.2 Bilan matière
L’examen du bilan matière correspondant à la production d’une
tonne de ferromanganèse carburé (tableau 2) montre la place
importante que tiennent les fluides (vent soufflé-gaz produit) dans
l’application du procédé.
La colonne des entrées en masse a été doublée par les entrées
en volume : le rapport volumique coke/minerais est à la mesure de
l’attention à apporter au réglage de la répartition des matières et
du gaz pour obtenir les meilleures performances de l’échangeur. Ce
rapport évolue sensiblement, lorsque par augmentation de la
température de vent, la mise au mille coke diminue (figure 6). La
suroxygénation du vent est un autre moyen d’améliorer les
performances de l’échangeur.
(0)
Le poste poussières du bilan mérite une mention particulière.
Ces poussières sont formées :
— des fractions les plus fines de la charge, coke, minerais,
fondants entraînées par le gaz (un criblage avant enfournement en
réduit la production) ;
Tableau 2 – Ferromanganèse fait au haut fourneau :
bilan matière pour une tonne
Matières
Entrées
masse volume (1)
(kg)
(m3)
Matières
Sorties
masse volume (1)
(kg)
(m3)
Coke ........
1 237
(2,47)
Métal .........
1 000
Minerais ..
1 850
(0,86)
Laitier ........
477
Fondants .
212
(0,14)
Poussières
100
Vent .........
4 330
(3 364)
Gaz ............
6 032
Incontrôlés
20
Total ..........
7 629
Total ........
7 629
(4 754)
(1) Valeurs approximatives.
— d’éléments (manganèse et alcalins) volatilisés à haute température dans la zone d’élaboration, condensés et oxydés en poussières
ultrafines (1 à 10 µm) au cours de leur traversée du haut fourneau.
Les alcalins notamment (Na2O et K2O), souvent présents dans
les minerais de manganèse qui en contiennent quelquefois 1 % et
plus, mal fixés par un laitier calcaire et chaud, sont à 80 % évacués
avec les poussières (20 % dans le laitier).
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M 2 445 − 5
FERROMANGANÈSE ÉLABORÉ AU HAUT FOURNEAU
__________________________________________________________________________________________
Figure 5 – Variation d’énergie libre lors de la réduction des oxydes
par le carbone
Figure 4 – Partage du manganèse et du silicium entre métal et laitier
(pour (a ) se réferer à [21] et pour (b ) : se réferer à [21] pour la courbe continue
et à [10] pour la courbe discontinue)
Les bilans partiels carbone (tableau 3) et manganèse (tableau 4)
illustrent deux particularités du procédé :
— dans le cas du carbone, l’équilibre entre les fonctions réducteur
et combustible, essentiel à la stabilité thermique de la zone
d’élaboration, exige surtout une grande régularité des paramètres
de réglage ;
— dans le cas du manganèse, le bilan introduit, avec le partage
du manganèse entre métal et laitier, la notion de rendement en
manganèse : rapport du manganèse récupéré dans le métal au
manganèse chargé.
Figure 6 – Évolution du rapport volumique coke/minerai
avec la température du vent
2.3.1 Bilan thermique global
2.3 Bilans thermiques global et étagé
Toutes les méthodes proposées pour l’étude du fonctionnement
du haut fourneau produisant de la fonte sont applicables au cas du
ferromanganèse : on examinera successivement deux exemples de
bilans thermiques, global puis étagé en soulignant chaque fois les
aspects particuliers.
M 2 445 − 6
Ce bilan présenté au tableau 5 suscite plusieurs remarques.
■ L’importance du poste chaleur sensible au vent chaud (≈ 44 %
des apports thermiques) justifie les efforts poursuivis en fabrication
de ferromanganèse pour augmenter la température du vent.
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__________________________________________________________________________________________ FERROMANGANÈSE ÉLABORÉ AU HAUT FOURNEAU
■ L’humidité du vent (10 g/m3 dans l’exemple proposé) a, au
contraire, un effet négatif sur les entrées du bilan et on a proposé
l’emploi de vent sec ou conditionné à une faible teneur en eau.
■ Les réductions indirectes des oxydes de manganèse et de fer ont
été classées en sorties : seuls les postes chaleur sensible du gaz au
gueulard et séchage de la charge bénéficient de l’exothermicité de
ces réductions.
■ Comme attendu les réductions directes du manganèse et du
silicium constituent l’essentiel des besoins thermiques (34 %).
Les pertes thermiques spécifiques sont élevées : elles traduisent
la faible utilisation du volume utile du haut fourneau atteinte par le
procédé.
(0)
■ Une présentation simplifiée du bilan thermique global (tableau 6)
dans laquelle apparaissent les potentiels thermiques (chaleurs
sensible et latente) du coke chargé et du gaz produit, met en évidence
la dégradation d’une partie de l’énergie engagée sous forme
élaborée (coke) en gaz à faible pouvoir calorifique.
(0)
Tableau 6 – Présentation simplifiée
du bilan thermique global
Entrées
(MJ)
Sorties
(MJ)
Chaleur latente coke . 35 158 Chaleur sensible gaz ................................. 3 093
Chaleur sensible vent
Chaleur latente gaz .................................... 20 856
à 1 125 oC ..................... 5 349
Tableau 3 – Bilan matière partiel : carbone
Entrée
Besoins thermiques de la charge ........... 16 558
Utilisation
Total.............................. 40 507 Total.............................................................. 40 507
Coke à 88 % .... 1 056 kg Réaction de régénération :
( CO 2 + C ! 2CO ) .................
Réduction de MnO ................
20
kg
178 kg
Réduction de SiO2 ...............
9,4 kg
Carburation du métal ...........
69
kg
Perte en poussières ..............
10
kg
Brûlé aux tuyères ..................
769,6 kg
Total................. 1 056 kg Total ....................................... 1 056
kg
(0)
La recherche d’un abaissement de la mise au mille de coke et de
la meilleure valorisation du gaz coproduit sont des conditions
essentielles à l’optimisation du coût de fabrication.
L’effet d’une suroxygénation du vent s’analyse également à l’aide
de cette présentation simplifiée du bilan thermique : à égalité de
température du vent, elle provoque une réduction de la chaleur
sensible au gueulard et conduit à une réduction de mise au mille
de coke (d’autant plus importante que celle-ci est élevée lorsque l’on
souffle du vent normal à 21 % d’oxygène).
2.3.2 Bilan thermique étagé
2.3.2.1 Découpage du haut fourneau en zones étagées
Tableau 4 – Bilan matière partiel : manganèse
Combustion du coke... 6 960,5 Séchage de la charge................................
318
Dans un bilan thermique étagé, le haut fourneau est étudié par
zones découpées par des sections horizontales correspondant à des
températures d’entrée et de sortie de gaz et de matières, et à des
degrés d’oxydation du gaz [CO /(CO + CO 2 )] caractéristiques ;
chacune des zones ainsi définies est le siège d’une ou plusieurs
réactions (tableau 7). On distingue ainsi :
— une zone de « préparation » du lit de fusion où tous les oxydes
de manganèse sont réduits à l’état MnO, le fer réduit à l’état métallique et les fondants décarbonatés ; le gaz y entre à une température
de 1 200 oC avec un potentiel réducteur égal à 1 et en sort, au gueulard, à 450 oC ;
— une zone d’élaboration du ferromanganèse où l’on obtient,
après passage dans le creuset du haut fourneau, entre 1 450 et
1 550 o C le ferromanganèse et le laitier ; le gaz y entre à une
température de flamme de 2 415 oC (cas étudié) ;
— une zone de combustion du coke aux tuyères d’où le gaz
généré par la combustion du coke sort à une température comprise
entre 2 000 et 3 000 oC avec un potentiel réducteur égal à 1 ; les
cendres du coke libérées interviennent dans la formation du laitier
final.
Chaleur sensible du vent
Déshydratation............................................
à 1 125 oC..................... 5 349
Régénération ...............................................
180
2.3.2.2 Fonctionnement de la zone de préparation
289
La zone de préparation du lit de fusion est elle-même partagée
en deux zones Aa et Ab suivant que la température de déclenchement
de la réaction de régénération de l’oxyde de carbone :
CO 2 + C ! 2CO est atteinte ou non (entre 800 et 1 100 oC).
Entrées
Sorties
Minerais ............ 867 kg Métal ............................................ 780 kg
Laitier ...........................................
47 kg
Poussières ...................................
21 kg
Incontrôlés...................................
19 kg
Total................... 867 kg Total ............................................. 867 kg
(0)
Tableau 5 – Bilan thermique global
Entrées
(MJ)
Sorties
(MJ)
Réductions indirectes .............................. – 1 657
Décarbonatation .........................................
377
Chaleurs sensibles :
— du gaz (450o)..................................... 3 093
— du ferromanganèse ........................ 1 528
— du laitier ............................................ 937
Réductions directes ................................... 4 143
Pertes thermiques ...................................... 3 101
Total .............................. 12 309 Total .............................................................. 12 309
Dans l’exemple proposé, la décarbonatation des fondants et du
minerai ainsi qu’une partie de la réduction indirecte interviennent
en zone Ab . Le CO2 dégagé par ces réactions y est régénéré en CO
au prix d’une consommation parasite de carbone.
C’est par le réglage de la répartition du lit de fusion au gueulard
du haut fourneau (répartitions circonférentielle, radiale et chimique)
assurant le meilleur contact gaz-solides, par l’emploi de minerais de
manganèse réductibles, secs ou peu humides, d’un lit de fusion peu
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régneront des conditions thermodynamiques favorables,
essentiellement que la température moyenne y sera plus
élevée (§ 2.1.2).
Une répartition homogène sur toute la section offerte des flux
ascendant (gaz) et descendant (laitier primaire s’écoulant à travers
le coke) est une condition nécessaire au fonctionnement optimal de
cette zone où s’établit à travers mise au mille de coke et rendement
en manganèse, l’économie du procédé.
Un profil de haut fourneau ou des conditions de soufflage mal
adaptés permettront la formation sur la paroi interne des étalages,
d’accrétions calcaires ou de condensations siliceuses qui, en se
décrochant, déplaceront l’indice de basicité du laitier et abaisseront
la température moyenne entraînant une dégradation des paramètres
de marche.
(0)
carbonaté, éventuellement par l’emploi de coke à faible réactivité
que l’on pourra, sinon éviter, au moins réduire l’augmentation de
mise au mille de coke conséquente à cette réaction.
2.3.2.3 Fonctionnement de la zone d’élaboration
La température atteinte par les solides à leur entrée dans cette
zone permet la formation d’un laitier primaire riche en MnO dans
un premier étage 1 200 à 1 350 oC.
Une température de fusion trop élevée du mélange de minerais
contrarie la formation de ce laitier primaire et rend plus difficile la
réduction directe (cinétique plus lente).
À partir de 1 350 oC, la réduction directe de MnO par le carbone
solide peut intervenir et l’élaboration du ferromanganèse
commencer. La réduction du manganèse sera d’autant plus facile
et complète dans ce deuxième étage (1 350 à 2 415 o C) qu’y
Tableau 7 – Bilan thermique étagé
A
Zone de préparation
Entrées
(MJ)
Sorties
(MJ)
a)
Réductions indirectes ........................................................... 1 561 Séchage de la charge ...........................................................
318
Chaleur sensible du gaz à 800 oC ........................................ 5 228 Déshydratation......................................................................
180
Chaleurs sensibles :
— minerais et fondants ................................................... 1 126
— coke............................................................................... 1 239
— gaz à 450 oC ................................................................. 3 093
Pertes thermiques.................................................................
883
Total ....................................................................................... 6 789 Total ....................................................................................... 6 789
b)
Réductions indirectes ...........................................................
96 Décarbonatation ...................................................................
377
Chaleurs sensibles :
Régénération CO...................................................................
289
— minerais et fondants ................................................... 1 126 Chaleurs sensibles :
— minerais et fondants ................................................... 1 691
— coke ............................................................................... 1 239
— coke............................................................................... 1 862
— gaz à 1 200 oC............................................................... 7 823
— gaz à 800 oC ................................................................. 5 228
Pertes thermiques.................................................................
837
B
Zone d’élaboration
Total ....................................................................................... 10 284 Total ....................................................................................... 10 284
a)
Chaleurs sensibles :
Chaleurs sensibles :
— minerais, fondants ....................................................... 1 691
— laitier primaire .............................................................
— carbone du coke .......................................................... 1 862
— carbone du coke ..........................................................
— gaz à 1 350 oC............................................................... 9 643
— gaz à 1 200 oC ..............................................................
Pertes thermiques.................................................................
Total ....................................................................................... 13 196 Total .......................................................................................
b)
Chaleurs sensibles :
Réductions directes ..............................................................
— laitier primaire.............................................................. 2 084 Chaleurs sensibles :
— carbone du coke ..........................................................
— carbone du coke .......................................................... 2 486
— ferromanganèse...........................................................
— gaz à 2 415 oC............................................................... 13 867
— laitier final ....................................................................
— gaz à 1 350 oC ..............................................................
Pertes thermiques.................................................................
2 084
2 486
7 823
803
13 196
4 144
1 850
1 528
937
9 643
335
Zone de combustion
du coke aux tuyères
Combustion du coke ............................................................. 6 960 Chaleur sensible :
Chaleurs sensibles :
— gaz à 2 415 oC .............................................................. 13 866
— coke ............................................................................... 1 850 Pertes thermiques.................................................................
293
— vent à 1 125 oC ............................................................. 5 349
C
Total ....................................................................................... 18 436 Total ....................................................................................... 18 437
Total ....................................................................................... 14 159 Total ....................................................................................... 14 159
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2.3.2.4 Fonctionnement de la zone de combustion
L’analyse précédente a fixé le rôle de cette zone : distribuer un gaz
très chaud et très réducteur [CO/(CO2 + CO) = 1,0] à la base d’un
échangeur gaz-liquide (laitier primaire)-solide (coke) qui constitue la
zone d’élaboration.
En première approche l’élévation de température de flamme,
c’est-à-dire de la température du gaz délivré par cette zone, est
favorable, tant que les besoins de la zone de préparation peuvent
être satisfaits.
Les moyens propres à augmenter cette température de flamme
sont étudiés plus loin ; on notera en revanche, dès maintenant l’effet
négatif sur la température de flamme de toute injection (combustible
ou inerte) aux tuyères du haut fourneau.
L’injection d’un combustible riche en hydrogène (inutile en
réduction directe) serait en outre pénalisée par la réaction de
craquage.
2.4 Comparaison haut fourneau
à ferromanganèse, haut fourneau
à fonte et four électrique de réduction
L’optimisation énergétique du haut fourneau à fonte est obtenue
lorsque les potentiels thermique et réducteur du gaz issu de la zone
de réduction directe équilibrent, au plus près, les besoins de la zone
des réductions indirectes. La préparation de la charge permet cette
optimisation ; au contraire une surchauffe trop poussée ou une
suroxygénation du vent dérèglent le processus.
Le bilan thermique étagé du haut fourneau à ferromanganèse
met en évidence des aspects particuliers qui font sa différence avec
le haut fourneau à fonte :
— importance énergétique de la zone d’élaboration ;
— zone de préparation excédentaire en énergie.
Une augmentation de la température de flamme par surchauffe
ou suroxygénation du vent, en réduisant les apports au bilan de la
zone de préparation, permet une réduction de la consommation
spécifique de coke.
Le four électrique est caractérisé quant à lui :
— par une extrême concentration de l’énergie libérée par l’arc
électrique dans la zone de formation du ferromanganèse ;
— par un volume de gaz par tonne de ferromanganèse très
faible (réduit dans le rapport de 7 à 1 par rapport à celui du haut
fourneau) ;
— par un fonctionnement en échangeur, difficile, dans une cuve
de faible hauteur en base de laquelle une partie du lit de fusion
peut atteindre, presque non préparé, la zone active des électrodes.
Ainsi, la comparaison des consommations spécifiques de coke
des hauts fourneaux fonte et ferromanganèse sur quelques
décennies fait apparaître des évolutions parallèles et décalées :
— de 1 000 à 500 kg et moins par tonne de fonte grâce à l’agglomération des minerais de fer ;
— de 2 000 et plus à 1 200 kg/t de ferromanganèse grâce à une
augmentation de la température ou de la teneur en oxygène du
vent soufflé.
La comparaison des bilans thermiques haut fourneau et four
électrique (tableau 8) fait de son côté apparaître :
— des besoins thermiques de la charge traitée légèrement plus
élevés dans le cas du haut fourneau ;
— un bilan énergétique net [énergie brute engagée (énergie
entrée - chaleur latente du gaz) - énergie recyclée] plus favorable
au four électrique pour autant que le gaz produit par ce dernier soit
effectivement valorisé.
Cela explique notamment que les deux techniques de production
du ferromanganèse se soient maintenues jusqu’à aujourd’hui,
l’avantage étant à l’une ou à l’autre suivant les prix locaux pratiqués
pour les différentes formes d’énergie.
(0)
Tableau 8 – Comparaison haut fourneau/four électrique : bilan thermique et énergie nette engagée
Haut fourneau Four électrique
(MJ)
(MJ)
Entrée
Sortie
Haut fourneau Four électrique
(MJ)
(MJ)
Combustion du coke ........................
35 158
12 418
Besoins thermiques de la charge....
16 466
Énergie électrique ............................
.....................
9 129
Chaleur sensible du gaz...................
3 093
389
Chaleur sensible du vent .................
5 349
Chaleur latente du gaz .....................
20 856
5 968
Total...................................................
40 415
21 547
Total...................................................
40 507
21 547
15 190
Comparaison des énergies nettes engagées (1)
Haut fourneau : 40 415 – 20 856 = 19 559 MJ/t de ferromanganèse
Four électrique : 21 547 – 5 968 = 15 579 MJ/t de ferromanganèse
(1) La comparaison précédente n’est valable qu’en tendance ; si le produit est identique, elle porte sur des lits de fusion présentant des différences sensibles.
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FERROMANGANÈSE ÉLABORÉ AU HAUT FOURNEAU
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3. Production
du ferromanganèse
au haut fourneau
Seuls, le calibrage des minerais entre 25 et 50 mm, l’élimination
des fines et le recyclage de ces dernières après agglomération sont
habituellement pratiqués. Le calibrage optimise le fonctionnement
en échangeur du haut fourneau, l’agglomération des fines trouvant
sa justification économique dans la décote subie par les minerais
de manganèse contenant une forte proportion d’éléments fins.
3.1 Composition et préparation
du lit de fusion
En fait, l’étude du bilan thermique étagé d’un haut fourneau en
ferromanganèse dont la zone d’élaboration fonctionne dans des
conditions précises de température et de teneur en oxygène du
vent soufflé surtout, permet de vérifier que l’énergie transférée par
le gaz de cette zone à celle de préparation est suffisante pour assurer dans cette dernière la couverture des besoins thermiques et un
transfert d’énergie thermique satisfaisant.
3.1.1 Calcul de la charge
Les différents composants du lit de fusion ou charge, ont été
décrits au paragraphe 1.4 (coke, minerais de manganèse et de fer,
fer, fondants calcaires...).
L’importance de la précision du dosage de chacun des
composants, grâce à un échantillonnage, à un contrôle analytique
rigoureux, et à une pesée précise, procède du fait que le composant
coke joue à la fois les rôles de combustible, d’élément constitutif
de l’alliage (carburation) et d’élément réducteur (réduction directe).
Tout déréglage du dosage, amplifié par une évolution du rendement
en manganèse, modifie l’analyse du produit (teneur en Mn et Si) et
les paramètres économiques de la marche.
En première étape le calcul (tableau 9) fixe une valeur de la charge
unitaire de coke, déterminée en fonction des dimensions du haut
fourneau, de telle façon que le volume occupé par la charge de coke
crée les conditions optimales de répartition de la charge de minerais
et fondants associés. Cette masse de coke reste constante : un
réglage ultérieur du dosage est obtenu par modification des masses
de minerais et de fondants.
La deuxième étape du calcul consiste, sur la base de références
expérimentales propres au haut fourneau utilisé (rendement en
manganèse, indice de basicité et teneur en manganèse du laitier,
teneur en silicium du métal et mise au mille coke) à associer à la
charge de coke retenue une certaine quantité de manganèse qui,
réduit à l’état métallique, formera le ferro-alliage. Les minerais de
manganèse, selon leurs rapports spécifiques Mn/Fe, et éventuellement le minerai de fer seront combinés pour apporter au rendement
en manganèse près, les quantités de manganèse et de fer qui
permettront d’obtenir l’analyse recherchée pour le ferro-alliage [la
somme Mn(%) + Fe(%) y étant sensiblement constante et égale à 92].
■ La référence retenue pour le rendement en manganèse implique
un indice de basicité donné du laitier pour une teneur en silicium du
métal. Ces dernières valeurs introduites en troisième étape
permettent de calculer, compte tenu de l’apport des cendres du coke
(silice notamment) et de la silice réduite en silicium, la quantité de
bases calcaires à introduire dans la charge. Suivant la composition
recherchée pour le laitier, ces bases calcaires (CaO, MgO) seront
introduites par l’intermédiaire d’un mélange castine-dolomie en
proportions convenables.
■ Enfin, composition et production de laitier seront estimées à
partir de la teneur en manganèse de laitier retenue comme
référence expérimentale.
3.1.2 Préparation de la charge
Les techniques de préparation des minerais de fer (criblage,
agglomération ou pelletisation des fines ou concentrés, etc.) sont
évidemment applicables et appliquées aux minerais de
manganèse [18]. Seuls, les aspects particuliers à la préparation du
lit de fusion du haut fourneau en ferromanganèse seront examinés ici.
Si la préparation de la charge du haut fourneau en fonte a permis la spectaculaire économie de coke, essentiellement par réduction des besoins thermiques de la zone de préparation et par
amélioration de la perméabilité de la charge, celle des minerais de
manganèse n’a jamais procuré d’économie sensible au haut fourneau en ferromanganèse.
M 2 445 − 10
Si cette condition est satisfaite, toute l’attention de l’opérateur
devra se porter sur le réglage fin de la répartition des matières et
des gaz ; l’homogénéisation de la charge par mélange des différents
composants du lit de fusion et/ou la mise en œuvre de mécanismes
modernes de chargement (gueulard sans cloche) peuvent se révéler
nécessaires.
Si les conditions thermiques précédentes ne sont pas réalisées,
le séchage, la déshydratation (départ de l’eau de constitution), la
décarbonatation de la charge doivent être envisagés.
Au niveau de la zone d’élaboration enfin, les meilleures
performances correspondent à la formation facile et rapide du laitier
primaire riche en MnO qui sera soumis à la réduction directe : les
compositions chimiques et minéralogiques de certains minerais ne
favorisent pas cette formation et introduisent autant de problèmes
particuliers.
3.2 Réglage du haut fourneau
Obtenir l’analyse recherchée du produit et les paramètres de
marche économiques sont les objectifs poursuivis par le réglage et
la conduite du haut fourneau.
À la dispersion près du rendement en manganèse de référence,
le calcul de charge permet de régler les teneurs en manganèse et
en fer du métal ; ce calcul fixe en même temps la teneur en phosphore
retrouvé dans le ferromanganèse avec un rendement de 100 %.
Pour un indice de basicité donné du laitier, la teneur en silicium
est fonction des disponibilités thermiques de la zone d’élaboration.
La teneur en carbone de l’alliage découle de ses teneurs en
manganèse, fer et silicium, et de la température de coulée.
Le réglage du haut fourneau à ferromanganèse consiste essentiellement à régler thermiquement la zone d’élaboration.
Les variations de la teneur en silicium (0,5 % en moyenne) et de
la température du métal renseignent sur ce réglage, obtenu pour
une allure nominale du haut fourneau (quantité de coke brûlé par
jour). Classiquement, au-dessous de cette allure, les pertes thermiques augmentent sensiblement et au-delà, les conditions de
fonctionnement du haut fourneau en échangeur et de réduction du
manganèse se dégradent et dans les deux cas la mise au mille
coke augmente.
Au réglage de la charge et à la fixation du débit de vent au
niveau de l’allure nominale correspondent un point de fonctionnement moyen et une teneur en silicium moyenne du ferromanganèse.
Les performances du haut fourneau seront d’autant meilleures
que les conditions de marche fixées seront maintenues régulières.
Un déréglage temporaire ou une dérive plus importante des
conditions de réglage ne peuvent toutefois être écartés. Ils
conduisent à une évolution de la teneur en silicium du métal de 0,1
à 2,5 % autour du point moyen de fonctionnement. Selon les cas,
ces déréglages seront réduits par action temporaire et limitée sur
le débit de soufflage et/ou la température de vent, ou par correction
du calcul de charge.
(0)
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Tableau 9 – Calcul du lit de fusion
SiO2
(kg)
Composants
(en kg sec)
Bases (1)
(kg)
Fe
(kg)
Mn
(kg)
Al2O3
(kg)
Coke ............................................................................................. 1 200
48
12
12
–
36
Minerais de Mn (2) :
A ............................................................................................ 769
B ............................................................................................ 990
19
58
3
67
20
111
392
475
46
3
Fondants :
— Castine ................................................................................... 68
— Dolomie ................................................................................. 140
1
1
37
71
–
–
–
–
1
1
Total.......................................................................................................
127
190
143
867
87
Silice réduite .................................................... 11 kg
Fer réduit (rendement Fe : 100 %).................. 143 kg
Manganèse réduit (rendement Mn : 90 %).... 780 kg
Calcul du ferromanganèse :
Mn + Fe = 780 + 143 = 923 kg
1 000 kg de FeMn à 78 % Mn, 14 % Fe et 0,5 % Si
Calcul du laitier :
indice SiO2 /bases = 0,6
teneur en Mn : 10 %
SiO2
Bases
Al2O3
MnO
Divers
116
190
87
61
23
Total
477 kg
soit
24,3
39,9
18,2
12,8
4,8
100,0 %
Mise au mille laitier : 477 kg/t.
Bilan manganèse
Sortie
métal...................
laitier...................
780 kg
divers (3) ............
40 kg
Total....................
867 kg
47 kg
Entrée
(sous forme de MnO soit 61 kg MnO)
Total................................................................ 867 kg
(1) Bases = CaO + MgO + BaO.
(2) A minerai du Gabon ;
B minerai d’Afrique du Sud.
(3) Pertes en poussières dans le gaz par volatilisation.
3.3 Coulée du métal et du laitier
L’élaboration du ferromanganèse se limite au haut fourneau. Après
coulée, le métal refroidi est traité en vue de son utilisation en aciérie
(morceaux calibrés, 10 à 25, 25 à 50, 50 à 100 mm, etc., exempts
de fines). Carbure mixte de manganèse et de fer, ce métal est dur,
d’autant plus fragile que son refroidissement a été brutal. Le
morcellement intervient dès les premières manutentions.
Coulée et préparation du produit sont donc conduits pour
obtenir :
— une production minimale de fines non commerciales à
recycler en fabrication ou à écouler en demi-produit ;
— une granulométrie du produit refroidi aussi voisine que
possible de la granulométrie du produit commercial de façon à
éviter le concassage ;
— une stabilité mécanique du produit suffisante pour lui
permettre de supporter, sans détérioration excessive, les stockages,
transports et diverses manutentions jusqu’au lieu d’utilisation. De
nombreuses techniques ont été proposées.
Les modes de coulée du laitier, évacué au crassier ou utilisé en
remblai (le manganèse semble être une contre-indication à l’emploi
en cimenterie) sont identiques à ceux mis en œuvre pour le laitier
de fonte.
3.4 Composition du laitier final
La pratique habituelle du haut fourneau en ferromanganèse vise,
pour contrôler les pertes en manganèse, à l’élaboration d’un laitier
épuisé à teneur en manganèse aussi faible que possible, et d’autant
plus faible que la mise au mille laitier est importante. Les premiers
hauts fournistes en ferromanganèse ont rapidement établi deux
relations essentielles liant la teneur en manganèse du laitier, l’une
à l’indice de basicité de celui-ci, l’autre à la teneur en silicium du
métal.
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FERROMANGANÈSE ÉLABORÉ AU HAUT FOURNEAU
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Malgré les difficultés inhérentes à la présence de MnO parmi les
constituants du laitier :
— complexité de la représentation et de l’étude d’un laitier
quinaire à cinq constituants, SiO2-Al2O3-CaO-MgO-MnO (encore ne
tient-on pas compte de BaO) ;
— susceptibilité à l’oxydation de MnO imposant des conditions
expérimentales particulières lors des mesures de laboratoire
(mesures de viscosité par exemple) ;
de très nombreux travaux ont été consacrés à l’étude du laitier de
ferromanganèse [9] [10] [11].
Ces travaux ont vérifié et précisé :
— l’intérêt d’une valeur élevée, voire très faible, de l’indice de basicité, SiO2 /(CaO + MgO) = 0,4 ou même d’une polybasicité associant
à CaO et MgO, la baryte BaO ;
— l’importance de la fluidité du laitier, d’une part au cours de
l’élaboration pour faciliter la réduction de MnO, d’autre part à la
coulée finale pour y éviter la capture de billes de ferromanganèse ;
si ces billes ne décantent pas, une dégradation sensible du rendement en manganèse est alors observée : le poste incontrôlés du bilan
en manganèse se gonfle de plusieurs pour-cent et l’analyse des
paramètres de marche s’en trouve sérieusement faussée ;
— l’avantage d’une teneur en alumine élevée, associée à une
teneur en magnésie adaptée ; résultat d’études thermodynamiques, cette conclusion ne trouve cependant pas toujours dans la
pratique une vérification immédiate ;
— l’intérêt d’un laitier à basse température de liquidus situé dans
une région du système quinaire à bon espacement des isothermes.
Les phénomènes réels observés au haut fourneau sont complexes
et il apparaît vite que les exigences ou souhaits précédents sont
souvent contradictoires, ainsi une augmentation de la basicité relève
la température de liquidus et un refroidissement accidentel ou
simplement lié à une irrégularité de répartition ou à une imprécision
de dosage de la charge, provoque l’apparition dans le laitier de
cristallites alumino-calcaires qui déclenche des phénomènes de
pseudoviscosité et augmente les difficultés de séparation
métal-laitier.
On notera en outre que ces exigences concernent le laitier final.
Celui-ci est sensiblement différent du laitier primaire constitué
surtout des éléments du minerai ou du laitier d’étalages (à
mi-réduction de MnO et de la digestion des bases calcaires
présentes). Le laitier final correspond au terme de la réduction et à
l’incorporation des centres du coke brûlé aux tuyères et notamment
de la silice qu’elles contiennent.
Le tableau 10 rend compte d’une telle hypothèse d’évolution de
la composition du laitier.
(0)
Tableau 10 – Hypothèse d’évolution de la composition
du laitier au cours de l’élaboration
de ferromanganèse carburé
Laitier
SiO2
(%)
Bases
(%)
MnO
(%)
Al2O3
(%)
Laitier primaire ........
9
4
79
3
Laitier d’étalages .....
14
14
61
6
Laitier final ...............
24
40
13
18
Remarque : les compositions de ces laitiers, en particulier celles des laitiers
d’étalages, prennent en compte un transfert de la zone de combustion du
coke (formation de monoxyde de silicium SiO à partir des cendres) vers les
zones d’élaboration et de formation du laitier primaire.
3.5 Bilan manganèse détaillé
Compte tenu de l’importance sur l’économie de la fabrication du
paramètre rendement en manganèse, une attention particulière
doit être portée aux différents postes du bilan manganèse détaillé
(tableau 11).
(0)
Tableau 11 – Bilan en manganèse détaillé
Entrées
Manganèse engagé sous forme minerai
de manganèse..........................................
Retours de fabrication .............................
Total ..........................................................
Manganèse du ferromanganèse ............
Manganèse perdu dans le laitier ............
Manganèse contenu dans les poussières primaires .......................................
Sorties
Manganèse contenu dans les poussières secondaires ...................................
Manganèse métallique entraîné par le
laitier de coulée........................................
Manganèse volatilisé à la coulée ...........
Déchets de coulée (à recycler)................
Total ..........................................................
(%)
867
20
887
97,7
2,3
100
780
47
87,9
5,3
15
1,7
6
0,7
16
3
20
887
1,8
0,3
2,3
100
Mn du ferromanganèse
Rendement en Mn = -------------------------------------------------------------------- = 90,0 %
Mn engagé sous forme
minerai de manganèse
Les techniques de coulée cherchent à réduire le plus possible la
production de déchets de coulée (ferromanganèse non commercial)
qui font l’objet d’une récupération soigneuse et d’un recyclage
régulier dans le lit de fusion.
Le manganèse perdu dans le laitier correspond à l’oxyde MnO
qui, dans les conditions opératoires, a échappé à la réduction
directe.
Les poussières primaires (60 kg à 25 % de Mn dans l’exemple
proposé) sont formées d’éléments fins de minerai de manganèse
entraînés par le gaz hors du haut fourneau.
Le criblage du lit de fusion avant chargement tend à réduire
l’émission de poussières primaires.
Le manganèse perdu dans les poussières secondaires (50 kg
à 12 % de Mn) correspond au manganèse volatilisé dans la zone
d’élaboration, entraîné par le gaz et rejeté du haut fourneau après
oxydation. Une baisse du rapport des volumes coke/minerai et un
bon réglage de la répartition réduisent sensiblement les pertes en
manganèse par poussières secondaires.
Le ferromanganèse entraîné par le laitier sous forme de billes qui,
faute de temps, d’un laitier calme et surtout fluide, ne peuvent
coalescer et rejoindre la phase liquide métallique. Des dispositions
spéciales à la coulée, piégeage notamment, réduisent les
entraînements de ferromanganèse qui, non magnétique ne peut être
l’objet d’une récupération par triage magnétique sur laitier refroidi.
Les pertes de manganèse par volatilisation à la coulée sont
responsables de la formation de fumées rousses (aérosol de Mn3O4)
gênantes pour l’environnement. Elles sont d’autant plus limitées que
le contact entre l’atmosphère et le métal liquide, en jet plus ou moins
divisé, aura été évité.
En conclusion, pour chaque lit de fusion nouveau, une étude
prévisionnelle du laitier, conduite sur la base des travaux précédents
sera nécessaire.
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(kg)
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__________________________________________________________________________________________ FERROMANGANÈSE ÉLABORÉ AU HAUT FOURNEAU
Pour conclure, l’évaluation précise du bilan manganèse détaillé
est nécessaire à une bonne compréhension de la fabrication du
ferromanganèse. Le manganèse perdu dans le laitier et dans les
poussières primaires échappe à la réduction directe contrairement
à celui des autres postes, qui participent chacun pour leur part, à
la consommation spécifique de coke à la tonne de ferromanganèse.
4. Technologie
du haut fourneau
à ferromanganèse
4.1 Haut fourneau
3.6 Bilan énergétique
On envisage ici le bilan énergétique global du procédé : haut
fourneau et annexes, réchauffeurs de vent cowpers, installation
d’épuration du gaz, soufflantes électriques (figure 7).
Dans le cas proposé (mise au mille 1 200 kg, température de
vent 1 100 oC) l’énergie engagée en coke (35,4 GJ) couvre les
dépenses thermiques correspondant à l’élaboration d’une tonne de
ferromanganèse pour 17 GJ.
Le haut fourneau libère 18,4 GJ sous forme de gaz à faible
pouvoir calorifique (5,2 MJ/m3). Ce gaz est utilisé :
— pour le réchauffage du vent à 1 100 oC, à raison de 6,18 GJ ;
— après transformation en énergie électrique, pour assurer les
besoins des annexes du haut fourneau, soufflante pour le vent et
épuration du gaz, à raison de 2,37 GJ.
La valorisation du solde, soit 9,85 GJ, à trouver hors procédé
(vente de l’énergie thermique), est nécessaire à l’économie de ce
dernier.
On a vu précédemment que la fabrication du ferromanganèse au
haut fourneau s’était développée dans les grandes aciéries intégrées
qui réservaient un de leurs hauts fourneaux à cette fabrication (§ 1.2).
Ainsi, la technologie du haut fourneau à ferromanganèse est-elle
pratiquement celle du haut fourneau à fonte dont elle reprend
d’ailleurs, dans ses dernières réalisations, les perfectionnements
les plus récents.
On se rapportera donc pour toute question technologique aux
nombreuses publications consacrées au haut fourneau de fonte et
aux articles spécialisés de ce traité.
Il faut noter pourtant les différences introduites par la mise en
œuvre de températures élevées :
— aux tuyères, c’est-à-dire absence d’injections et quelquefois
enrichissement du vent en oxygène ;
— en zone d’élaboration, où les laitiers intermédiaires riches
en MnO se montrent très agressifs vis-à-vis du revêtement
réfractaire de l’appareil, d’où l’attention particulière à porter au
choix des réfractaires et à la qualité du refroidissement ;
— au gueulard du haut fourneau où la pulvérisation d’eau est
souvent nécessaire pour refroidir le gaz et préserver l’appareil de
chargement.
4.2 Chauffage du vent. Augmentation
de la température de flamme
Trois techniques sont susceptibles de procurer les hautes températures de combustion du coke recherchées (figure 8) :
— l’emploi de réchauffeurs de vent cowpers à hautes
performances, capables de fournir du vent chaud à 1 300-1 400 oC ;
— l’enrichissement du vent en oxygène ;
— la surchauffe du vent à l’aide de torches à plasma
jusqu’à 1 800 oC et plus.
Le haut fourneau à ferromanganèse a bénéficié des améliorations successives apportées aux réchauffeurs de vent cowpers.
Une première évolution des caractéristiques de construction et des
matériaux réfractaires mis en œuvre avait permis de passer d’une
température de vent chaud de 800 à 1 000 oC.
Figure 7 – Bilan énergétique du haut fourneau à ferromanganèse
À partir de 1970, le développement de réfractaires nouveaux à
haute réfractairité (silice, mullite synthétique, etc.), isolants à faible
conductivité thermique, et de modes de construction renouvelés
(cowper à puits séparé) permettent de porter à 1 400 oC la température du vent en obtenant des rendements thermiques de l’ordre
de 90 %.
L’adaptation de ces nouveaux appareils au service du haut
fourneau à ferromanganèse est facilitée par le pouvoir calorifique
du gaz produit (5,2 MJ/m3 contre 3 pour celui à fonte) ; en revanche,
le souci d’éviter une trop grande amplitude de la chute de température de vent entre début et fin de soufflage oblige à augmenter
la masse totale de réfractaires en alourdissant l’investissement.
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FERROMANGANÈSE ÉLABORÉ AU HAUT FOURNEAU
__________________________________________________________________________________________
En fait, les problèmes de corrosion du blindage métallique de
l’appareil cowper, lors du fonctionnement à haute température de
coupole, conduisent les opérateurs à limiter la température du vent
à 1 250 oC environ, valeur qui fixe une limite pratique de la technique
cowper et en même temps l’évolution de mise au mille du coke qu’on
peut en attendre (tableau 12).
(0)
Tableau 12 – Effet d’une augmentation de la température
du vent sur la mise au mille de coke
Tableau 13 – Effet de la suroxygénation du vent
sur la mise au mille de coke (1)
Paramètre
Vent
normal
Vent
suroxygéné
Température du vent .................... (oC)
1 001
988
Teneur en oxygène ........................ (%)
20,8
25,7
Mise au mille coke ......................(kg/t)
1 420
1 374
336
(oC) 1 100
1 200
1 300
1 400
Production ................................ (t/jour)
280
Mise au mille coke................... (kg/t) 1 210
1 126
1 057
1 000
Température du gaz au gueulard (oC)
338
333
Eau pulvérisée au gueulard .......(kg/t)
773
473
Température du vent ..............
La suroxygénation du vent a été rapidement pratiquée, dès qu’il
a été possible de disposer de débits réguliers et importants
d’oxygène gazeux.
L’insufflation d’oxygène pur dans le vent froid avant cowpers ne
pose pas de réels problèmes et le soufflage de vent enrichi jusqu’à
45 % d’oxygène a été pratiqué industriellement.
Tant que la température du vent chaud (et la réduction de mise
au mille du coke) s’est trouvée limitée pour des raisons techniques,
la suroxygénation du vent a été justifiée économiquement, les
potentiels réducteurs et thermiques du gaz quittant la zone
d’élaboration assuraient largement la couverture des besoins de la
zone de préparation.
Au-delà, lorsque des températures de vent chaud supérieures
à 1 250 oC ont été possibles, l’amélioration de mise au mille du coke,
moins sensible, n’a plus permis la justification économique de
l’emploi de l’oxygène, d’autant que le contenu énergétique de ce
gaz n’est pas négligeable (105 kWh/t dans l’exemple proposé au
tableau 13).
Pourtant, une réalisation récente, au Japon, a confirmé que dans
des conditions locales favorables de coûts d’accès aux différentes
formes d’énergie, l’emploi de vent chaud à 800 oC et 27 % d’oxygène
pouvait être économique [8].
Très récente, la technique de surchauffe du vent par torche à
plasma permet de dépasser les limites des technologies cowpers
ou suroxygénation [12] [13].
(1) Source : Stahl und Eisen 88, p. 665 à 673, 13 juin 1968.
Une torche plasma à arc soufflé (500 m3/h pour une puissance
de 1 500 kWh) permet l’injection d’air additionnel à une température de 4 000 à 5 000 oC dans la conduite principale de vent chaud
ou dans les tuyères du haut fourneau. Suivant le débit et la température du vent primaire mis en jeu, une température de vent chaud
surchauffé comprise entre 1 400o et 2 000 oC est possible.
L’économie de coke correspondant à une surchauffe du vent
de 100 o C au-delà de 1 300 o C est de 7 % environ pour une
consommation d’énergie électrique des torches plasma de 160 kWh.
Cette économie tend à se réduire lorsqu’augmente la température
du vent surchauffé (figure 9).
Outre la réduction de mise au mille du coke, un avantage
supplémentaire de la surchauffe du vent par torche plasma est la
possibilité de recyclage de la totalité de l’énergie thermique gaz
sous-produite après transformation en énergie électrique
(figure 10).
Figure 9 – Effet d’une augmentation
de la température du vent chaud sur la mise au mille de coke
Figure 8 – Relations entre la température de flamme,
la température du vent et la teneur en oxygène du vent
(0)
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d’une partie de la chaleur sensible du gaz de gueulard et évite les
problèmes de pollution des eaux de lavage.
■ La composition chimique des poussières entraînées par le gaz
justifie le taux d’épuration de 100 % recherché : riches en manganèse
et en alcalins, très fines, elles peuvent être des agents de corrosion
très agressifs à température élevée pour les réfractaires des cowpers
ou des chaudières dans lesquels le gaz est brûlé.
■ L’emploi du gaz de ferromanganèse peut être rendu difficile par
des variations importantes allant du simple au double du pouvoir
calorifique. Ces variations régulières (elles sont liées au cycle de
chargement des minerais) correspondent à la décomposition brutale
du bioxyde de manganèse MnO2 présent dans le lit de fusion. Des
dispositions particulières de combustion assistée sont quelquefois
nécessaires.
5. Évolution du procédé
Figure 10 – Bilan énergétique du haut fourneau à ferromanganèse
équipé de torches à plasma
4.3 Épuration et valorisation du gaz
de haut fourneau
À sa sortie du haut fourneau, après pulvérisation d’eau pour ramener le cas échéant sa température à une valeur compatible avec une
bonne tenue des matériels, le gaz a un pouvoir calorifique moyen
suffisant pour un gaz pauvre (entre 4 et 6 MJ/m3 suivant que le
vent est enrichi ou pas en oxygène). Il est chargé de
poussières ( 20 g/m 3 ). Son épuration est indispensable avant
emploi ultérieur aux cowpers ou en chaudière.
■ Les techniques d’épuration proposées pour le gaz de fonte sont
toutes valables. Elles font habituellement appel à un contact gaz-eau
pour assurer un taux d’épuration de 100 %.
La chaleur sensible du gaz de gueulard est alors perdue et l’eau
de lavage doit être traitée avant rejet dans le milieu naturel.
La mise au point récente de textiles spéciaux supportant des
températures de 200 oC permet d’envisager une épuration à sec par
manches filtrantes. Cette technique rend possible la récupération
Sur 3,8 millions de tonnes de ferromanganèse carburé produit en
1987 dans le monde, 40 % environ sont fabriquées au haut fourneau,
principalement dans les pays de longue tradition sidérurgique.
Malgré une surcapacité de production mondiale (5,2 Mt/an), la
création d’outils nouveaux dans les pays en voie de développement
(fours électriques de taille moyenne pour réduire l’investissement),
la crise mondiale de l’acier, l’évolution des techniques d’aciéries de
plus en plus économes en manganèse, le procédé de fabrication du
ferromanganèse au haut fourneau continue à évoluer et à
s’améliorer.
Si l’économie du manganèse engagé en fabrication reste un
objectif permanent pour les opérateurs, les signes d’évolution les
plus révélateurs concernent :
— l’économie de l’énergie, notamment de ses formes les plus
élaborées et les plus coûteuses (coke par exemple) ;
— la diversification de l’énergie par la mise en œuvre simultanée
de ses différentes formes (combustibles solides, liquides, gazeux,
énergie électrique, etc.) intervenant en pourcentages variables avec
leurs coûts respectifs ; c’est le cas du haut fourneau équipé de
torches à plasma utilisant en proportions modulées, coke et énergie
électrique ;
— et par voie de conséquence, l’amélioration de la productivité.
On peut voir enfin dans le développement récent de nouvelles
techniques de fabrication du ferromanganèse [14] [15] [16] [17]
l’aboutissement de cette évolution, d’ailleurs commune à tous les
procédés sidérurgiques.
Dans le cadre de ces nouvelles techniques, cette évolution se
traduit, outre la tendance confirmée à l’économie et à la
diversification de l’énergie, par le traitement en réacteurs séparés
des opérations de préparation et d’élaboration.
■ Pour la préparation :
— par préréduction et préchauffage des minerais et fondants en
lit fluidisé ;
— ou pelletisation à froid des différents constituants du lit de
fusion (charbon, minerai, fondants, etc.) pour obtenir un produit
intermédiaire extrêmement réductible.
■ Pour l’élaboration, par le traitement de la charge préparée :
— par torche à plasma (kWh) et injection de charbon dans un
four à cuve sur un empilage massif de coke porté au rouge, ou
dans un réacteur approprié ;
— en gazéificateur-four de fusion alimenté en charbon et
oxygène ;
— en four tournant ou cubilot, chauffés au fuel, au charbon ou
au coke.
Ces nouveaux procédés n’ont pas encore été l’objet d’une
application industrielle prolongée : il n’est pas encore possible de
les situer par rapport aux deux procédés haut fourneau et four
électrique.
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P
O
U
R
Ferromanganèse
élaboré au haut fourneau
E
N
par
Edmond TRUFFAUT
Ancien Directeur Recherche et Développement de la société
du Ferromanganèse de Paris et Outreau
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est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques
Doc. M 2 445 − 1
S
A
V
O
I
R
P
L
U
S

M7750

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Annuaire des entreprises coloniales 1922-Nouvelle

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