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Auteur(s)
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Jacques ASTIER : Ancien Directeur à l’Institut de recherche de la sidérurgie française (IRSID) - Ingénieur-conseil
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Lire l’articleINTRODUCTION
Si la voie classique de production de la fonte est, depuis plusieurs siècles, basée sur le haut-fourneau, toute une série de recherches ont été faites, surtout depuis la deuxième moitié du XXe siècle, pour mettre au point de nouveaux procédés d’élaboration de la fonte ou, même d’un métal liquide, plus ou moins carburé. Ces diverses « vagues » de recherches et développement ont été motivées par le fait que :
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si, en tant que réacteur de réduction et fusion des minerais de fer, le haut-fourneau a atteint une sorte de perfection ;
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le haut-fourneau moderne exige d’importantes installations annexes pour, d’une part, préparer les minerais de fer et, notamment agglomérer les fines ou les concentrés de ces minerais, d’autre part, préparer, aussi, les charbons et les cokéfier.
Ces installations annexes sont coûteuses et ont, également, un impact important sur l’environnement. Cela explique la recherche d’une méthode simple et directe permettant de passer du minerai de fer à la fonte ou à l’acier.
Néanmoins, il faut bien insister sur le fait que, sur le plan industriel, tous ces efforts n’ont pas abouti à grand chose, surtout si on compare ce domaine à celui de la réduction directe où (voir dossier Réduction directe[M 7 580]) la production a dépassé 54 Mt en 2004. Pour cette même année, on a produit, toujours mondialement, un peu plus de 717 Mt de fonte dont :
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environ 705 Mt dans des hauts-fourneaux à coke ;
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environ 8 Mt dans des hauts-fourneaux au charbon de bois (essentiellement au Brésil) ;
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environ 3 Mt dans des unités COREX ;
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environ 1 Mt dans des fours électriques à fonte.
Nous étudierons successivement :
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les tentatives pour élaborer directement un métal liquide en un seul réacteur ;
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les procédés d’élaboration de la fonte avec deux réacteurs en série ;
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les procédés d’élaboration de la fonte au four électrique ;
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les variantes du haut-fourneau classique.
Un commentaire sur toutes ces méthodes permettra au lecteur de se faire une idée générale de l’évolution du domaine concerné.
Pour plus de renseignement sur le procédé COREX, le lecteur pourra se reporter au dossier Procédé COREX d’élaboration de la fonte.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 1989 par Jacques ASTIER
- Version archivée 2 de sept. 1998 par Jacques ASTIER
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Procédés d’élaboration de la fonte avec deux réacteurs en série1. Élaboration directe d’un métal liquide dans un seul réacteur
Ce rêve de tous les sidérurgistes, c’est-à-dire l’élaboration directe, à partir de minerais de fer, de la fonte voire même de l’acier, est basé sur des principes relativement simples que nous rappellerons ici avant de faire un bref historique de ce qui a été tenté par le passé et, finalement, d’indiquer où l’on en est à l’heure actuelle.
1.1 Bases scientifiques de l’élaboration d’un métal liquide en une seule étape
1.1.1 Réduction par le carbone
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Sur le plan chimique, on peut envisager les trois réactions de base figurant au tableau 1, mais, pratiquement, pour éviter notamment les équilibres de réduction des oxydes de fer, on s’est, en général, limité à la dernière réaction :
Fe2O3 + 3 C ® 2 Fe + 3 CO
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Sur le plan thermique, le tableau 2 indique, d’une part, les besoins thermochimiques de cette dernière réaction et, d’autre part, ceux des autres postes tels que la carburation de la fonte, la réduction des autres oxydes, etc.
Ces données thermochimiques théoriques permettent d’établir un bilan thermique d’un tel procédé d’élaboration de la fonte liquide par réduction directe des minerais de fer par le carbone (tableau 3 et figure 1) :
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besoin thermique minimal (tableau 3, cas 1)6 530 MJ
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augmenté si l’on tient compte des pertes (cas 2) à6 948 MJ
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et si l’on tient compte de la chaleur sensible des gaz (cas 3) à8 096 MJ
On peut exprimer le bilan d’un tel procédé d’une autre façon en indiquant (tableau 4), en comparaison avec un bilan énergétique typique de haut-fourneau moderne (tableau ...
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