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1 - CONTEXTE

  • 1.1 - Historique
  • 1.2 - Place du haut fourneau dans la filière de production des aciers de haute qualité
  • 1.3 - Place du haut fourneau dans l'usine à fonte
  • 1.4 - En aval du haut fourneau

2 - DESCRIPTION SOMMAIRE DU HAUT FOURNEAU

3 - CONNAISSANCE DU HAUT FOURNEAU À PARTIR D'OBSERVATIONS INDUSTRIELLES

4 - DONNÉES THERMOCHIMIQUES IMPORTANTES POUR LE FONCTIONNEMENT DU HAUT FOURNEAU

5 - ASPECTS THÉORIQUES DU FONCTIONNEMENT

6 - CONCLUSION

7 - GLOSSAIRE

8 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : M7400 v2

Contexte
Haut fourneau - Bases théoriques

Auteur(s) : Jean-Marc STEILER

Relu et validé le 23 juin 2021

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RÉSUMÉ

Le haut fourneau constitue toujours l'outil de base de la filière de production des aciers à forte valeur ajoutée. A l'échelle mondiale, près de 70 % de l 'acier est issu de fonte produite au haut fourneau. Cet article traite des aspects théoriques du fonctionnement du haut fourneau, qui peut être considéré comme une technologie mature. Les points suivants sont abordés: la description générale du haut fourneau et de ses annexes, la connaissance du haut fourneau acquise à partir des observations industrielles, la physico-chimie des réactions intéressant le haut-fourneau, la description du réacteur.

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ABSTRACT

The Blast Furnace Process - Operating principles

The blast furnace is still the basic tool in the manufacturing route to high-end steels. About 70% of the world's steel originates from blast furnace pig iron. This first article deals with the theoretical aspects of the blast furnace process, which can now be considered as mature. The article gives a general description of the blast furnace and its ancillaries, knowledge of the blast furnace gained from industrial observations, and the chemical reactions involved.

Auteur(s)

  • Jean-Marc STEILER : Ingénieur Civil des Mines - Ancien Directeur des Programmes R&D Procédés, ArcelorMittal Global R&D, - Maizières-lès-Metz, France

INTRODUCTION

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 XXIe 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.

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KEYWORDS

heat transfer   |   blast furnace   |   ironmaking   |   reduction iron oxides

VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-m7400


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1. Contexte

1.1 Historique

Le fer constitue le matériau de base de la grande majorité des civilisations. La présence d'objets en fer est attestée par les archéologues dès la fin du IIe millénaire avant notre ère, en particulier en Anatolie. Dans l'Antiquité, le fer était produit par chauffage d'un mélange de minerai et de bois (ou de charbon de bois) dans un foyer, alimenté en air. Au cours des siècles, différentes variantes technologiques voient le jour, conduisant au flossofen (XIVe siècle), ancêtre du haut fourneau. Les évolutions ultérieures jusqu'au XVIIIe siècle concernent surtout le développement des moyens de soufflage et l'augmentation de taille.

Une innovation majeure intervient au milieu du XVIIIe siècle avec le remplacement du charbon de bois par le coke, à la suite des expérimentations d’Abraham Darby. Cette technologie se propage progressivement en Grande-Bretagne, plus lentement sur le continent ; en France, le haut fourneau au charbon de bois disparaît totalement vers 1890 .

Au XIXe siècle, le haut fourneau connaît un foisonnement d'inventions conduisant à des perfectionnements technologiques importants et des progrès en matière de productivité et de consommation énergétique : l'emploi de vent chaud, la fermeture du gueulard, la mécanisation du chargement, l'augmentation des capacités de soufflage, le refroidissement des parois, les systèmes de coulée. Les progrès scientifiques, notamment la chimie analytique, ouvrent la voie à une réelle connaissance du procédé, grâce aux travaux de Réaumur, Buffon, Dumas et plus tard Gruner. Les premiers bilans matières, les mesures de température dans la cuve sont établis au milieu du XIXe siècle.

À l'orée du XXe siècle, le plus gros haut fourneau (États-Unis) a un diamètre au creuset de 4,4 m et produit 460 t par jour avec une consommation de coke de 1,1 t/t de fonte. La première moitié du XXe siècle voit des progrès importants en matière...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - NICOLLE (R.) -   Some steps in the early development of coke manufacture and use in France and Belgium.  -  Revue de Métallurgie ; n° 109 p. 55 (2012).

  • (2) - CHAUDRON (G.) -   Étude des réactions réversibles de l’hydrogène et de l’oxyde de carbone sur les oxydes de fer.  -  Revue de Métallurgie, 21, n° 8, p. 462-472 (1924).

  • (3) - STEILER (J.M.), HANROT (F.) -   Present state and Innovative issues for Ironmaking.  -  Revue de Métallurgie, n° 3, p. 361 (2005).

  • (4) - NICOLLE (R.) -   La théorie du haut-fourneau : contribution de l’École Française.  -  Revue de Métallurgie – CIT, p. 199 (2005).

  • (5) - BONNAURE (E.) -   Injection technique investigated on the low shaft furnace.  -  J. of Metals, N° 13, p. 37 (1961).

  • ...

1 Outils logiciels

Fact Sage Integrated Data Base : base de données thermodynamiques d'espèces minérales ; outils de calculs en ligne de grandeurs de réactions, d'équilibres complexes multiphasés, de diagrammes de phases ;

http://www.crct.polymtl.ca/factsage/fs_general.php

JANAF : table de données thermodynamiques d'espèces minérales ; calcul en ligne de grandeurs de réaction

http://kinetics.nist.gov/janaf/

HAUT DE PAGE

2 Sites Internet

Metallurgical Research and Technology : anciennement Revue de Métallurgie ; articles sur l'élaboration de la fonte ; sommaires et résumés des articles en ligne ; calendrier des congrès à venir intéressant...

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