Haut fourneau - Bases théoriques

L'usine à fonte constitue la première étape de la filière de production de l'acier à partir de charbon et de minerai de fer, qui est la voie privilégiée pour l'obtention des aciers de haute qualité destinés aux applications les plus exigeantes en matière de propriétés d'emploi, notamment automobile, emballage, tôles fortes, etc. Le haut fourneau assure la réduction des oxydes de fer des minerais et la fusion du métal. Le passage par l'état liquide, s'il demande une quantité d'énergie importante, permet la purification du métal par transfert des impuretés majeures dans une scorie liquide. Le haut fourneau délivre à l'aciérie à l'oxygène une fonte liquide dont la qualité chimique et la température sont parfaitement contrôlées. À l'échelle mondiale, environ 70% de l'acier produit est issu de la filière minerai-haut fourneau, alors que la filière par recyclage de ferrailles représente 30%.

Les connaissances acquises en matière de fonctionnement du haut fourneau résultent des efforts conjoints des équipes de recherche et des exploitants au cours des décennies passées. La mise en œuvre des concepts scientifiques, l'instrumentation poussée, l'utilisation de modèles numériques, ont permis d'obtenir une bonne connaissance et une maîtrise efficace du fonctionnement complexe de l'appareil, ce qui a conduit à des progrès remarquables sur le plan de la fiabilité d'exploitation, de la productivité et de l'économie générale du procédé. Le haut fourneau a atteint un degré de maturité technologique tel que, pour les unités les plus avancées, les performances sont proches de l'optimum théorique en matière de consommation énergétique. La taille des installations est arrivée à un optimum économique, avec des hauts fourneaux d'un volume de 4500 à 5000 m³ et d'une capacité de production de 3 à 3,5 Mt/an, cohérente avec l'aval de l'usine intégrée, aciérie à l'oxygène et train à bandes.

Le coût de la fonte représente une part prédominante du coût de l'acier final. Le coût des matières premières enfournées au haut fourneau intervient pour environ 80% du prix de revient de la fonte, l'énergie sous toutes ses formes représentant près de 50% de ce prix. Ceci justifie tous les efforts consacrés à la réduction de la consommation énergétique et à la diversification des matières premières.

Bien que le haut fourneau lui-même fonctionne avec des performances remarquables, il présente cependant un certains nombre d'inconvénients qui sont autant de défis à relever. Le principe même du haut fourneau – réduction des oxydes, fusion des matières – conduit nécessairement à des besoins énergétiques importants, assurés en majeure partie par des combustibles fossiles, ce qui se traduit par des émissions de CO₂ importantes, de l'ordre de 1,8 t/t de fonte. De plus, son fonctionnement requiert un traitement préalable des matières premières par des procédés – agglomération des minerais [M 7 320], pyrolyse du charbon [M 7 340] – peu optimisés sur le plan énergétique, dont les coûts d'investissement sont élevés et qui engendrent des frais considérables pour le respect des normes en matière d'environnement. En réponse à ces inconvénients, différents procédés nouveaux de « réduction-fusion », capables de traiter directement le minerai de fer et le charbon sans préparation poussée, ont été imaginés [M 7 550]. À ce jour, seul le procédé COREX, et dans une moindre mesure le procédé FINEX, ont vu un véritable développement industriel, les autres procédés restant au stade du laboratoire ou du pilote industriel [M 7 555]. Au début du XXI^e siècle, le haut fourneau est face à de nouveaux défis dans le domaine énergétique et environnemental, qui imposent d'autres déclinaisons ou adaptations du fonctionnement de l'appareil. Des projets ambitieux sont menés en Europe, Asie et Amérique du Nord avec l'objectif de réduire considérablement l'empreinte carbone du haut fourneau.

L'article [M 7 400] porte sur la description des bases théoriques du haut fourneau, l'article [M 7 401], quant à lui, porte sur les principes de fonctionnement. Les aspects technologiques et la pratique opératoire sont présentés dans les articles [M 7 410] et [M 7 411]. Dans l'ensemble de ces articles, seule est considérée la fabrication de la fonte d'affinage destinée à être transformée en acier au cours de la chaîne de fabrication de l'usine sidérurgique. La fabrication des fontes spéciales, des fontes de moulage et du ferromanganèse est laissée de côté.

Un glossaire et un tableau de symboles sont présentés en fin d'article.