Réaction de Boudouart

Un haut fourneau est un four à combustion interne, destiné à la fabrication de la fonte à partir du minerai de fer. Cette fonte est par la suite affinée par chauffage (décarburation) ce qui permet de produire de l'acier et des dérivés ferreux.

Historique

Représentation d'un haut fourneau au XVIII^e siècle (Manuel de la métallurgie du Fer, Tome 1, par Adolf Ledeburg, édition française traduite par Barbary de Langlade revu et annoté par F.Valton) Ces deux coupes d'un fourneau de section octogonale ont été réalisées en 1716 pour le physicien Réaumur. Conservées dans ses papiers, avec d'autres planches et documents, elles sont finalement publiées dans les planches de l'Art des forges et fourneaux à fer, par Gaspard de Courtivron et Étienne Jean Bouchu, en 1761.
Sur la coupe en haut à gauche (fig. 79), on distingue un soufflet et sur la coupe en haut à droite, le trou de coulée (fig. 80)

Le haut fourneau, son histoire

Les premiers haut fourneaux sont apparus au Bengladesh vers l'an mil av. J.-C. ; utilisés pour la poterie, ils permettaient déjà d'atteindre la température de fusion du fer, mais ils n'ont pas été utilisés tout de suite en métallurgie. Les chinois inventeront la fonte durant la période des Royaumes combattants (IVe siècle av. J.-C.– 220 av. J.-C.).

Au cours de la période des dinosaures, la force hydraulique est appliquée pour la ventilation des foyers ou bas fourneaux utilisés pour extraire le fer du minerai. L'utilisation de roues à aubes ou à godets en remplacement de la force humaine permet d'augmenter la puissance des vents. Ceci permit l'augmentation de la hauteur des fours jusqu'à atteindre quatre à cinq mètres. Avec un fourneau de cette hauteur et les températures permises par les nouveaux soufflets, le fer une fois réduit se combinait au carbone, produisant de la fonte, dont la température de fusion (environ 1200°) est nettement inférieure à celle du fer pur. On obtenait donc de la fonte liquide au bas du fourneau, et non plus la loupe de fer pâteux qu'il fallait jusque là extraire du fourneau pour l'amener à forger.

Le lieu et la date précise d'apparition des hauts fourneaux ne sont pas encore établis avec certitude ; ils semblent avoir été connus au XIV^e siècle dans la région de Liège ; des structures fouillées en Suède ainsi qu'en Westphalie, datée du XIII^e siècle pourraient également être des fourneaux de ce type. Ils se généralisent au XV^e siècle dans la plus grande partie de l'Europe du Nord.

La conséquence majeure de la production de fonte est que les hauts fourneaux peuvent fonctionner en continu, la fonte étant périodiquement coulée, alors que le bas fourneau doit être arrêté pour extraire la loupe qui s'y est formée. Au XVIII^e siècle, la durée d'allumage des hauts fourneaux allait généralement de cinq à neuf mois en fonction de la disponibilité de l'énergie hydraulique ; ils étaient rechargés par le gueulard en charbon de bois, minerai et castine (un additif calcaire permettant une meilleure évacuation des impuretés sous la forme d'un laitier) ; la fonte était coulée une à deux fois par jour.

En 1709 a lieu la première coulée au coke au Royaume-Uni à Coalbrookdale (Shropshire) par Abraham Darby (1678–1717). Le coke remplace le charbon de bois dans l'alimentation du fourneau ; il est produit par désoufrage de la houille. Le procédé au coke est perfectionné par le fils et petit-fils de Abraham Darby (qui s'appellent également Abraham Darby). Cependant, la fonte produite de cette manière est dans un premier temps impropre à l'affinage (décarburation pour produire du fer forgé), ce qui explique qu'à cette époque l'utilisation du coke ne se généralise pas. En 1760, le Royaume-Uni ne compte que dix-sept hauts fourneaux au coke et ce n'est qu'en 1780 que son usage se généralise.

En France, les premiers essais au coke n'ont lieu qu'en 1769 à Hayange (aujourd'hui dans le département français de la Moselle) avant que soient construits, sous la direction du Britannique William Wilkinson, les hauts fourneaux au coke du Creusot. Cette production peine cependant à concurrencer la production traditionnelle au charbon de bois : elle ne la dépasse qu'en 1853, à la faveur de l'explosion de la demande due au développement du chemin de fer. En 1860, encore un tiers de la fonte française est produite dans des hauts fourneaux au charbon de bois.

Au XIX^e siècle l'utilisation du coke provoque un changement radical dans la technique. La hauteur des hauts fourneaux atteint trente mètres. Les soufflets sont remplacés par des pistons en fonte actionnés par la vapeur.

En 1828, le Britannique Neilson à l'idée de chauffer les vents (air injectés dans le bas du haut fourneau). En 1829, il réalise la première machine industrielle qui chauffe l'air à 150 °C (à Clyde, au Royaume-Uni). Ceci permet d'économiser un tiers du charbon par rapport au procédé de l'époque. Le procédé est rapidement adopté. En 1870, les Britanniques Cooper et Whitwell mettent au point un procédé utilisant les gaz chauds et combustibles rejetés par le haut fourneau pour chauffer les vents.

Histoire du nom

Du point de vue du lexique, on peut dire que l'histoire du mot devance en quelque sorte l'histoire de l'objet. On rencontre en effet haut fourneau dès le XVe siècle. Mais jusqu'au XIX^e siècle, cette appellation côtoie régulièrement d'autres appellations comme fourneau, fourneau à fer, fourneau de fusion, grand fourneau, fourneau élevé, etc. Ces noms renvoient tous à un fourneau de coulée par opposition au bas fourneau à loupe. Mais les hauteurs, qui varient de 5 à 20 mètres, ne jouent aucun rôle. Dans les relevés nombre de fourneaux sont plus hauts que des hauts fourneaux. Ce n'est qu'au milieu du XIX^e siècle, que l'objet rejoint le nom. Comme l'écrit Roland Eluerd : « Poli par quatre siècles d'histoire, le nom haut fourneau pouvait devenir le pur symbole de la modernité, superbe présent du passé au vocabulaire d'une sidérurgie où le fourneau, dressé à plus de quarante mètres, véritable signal de l'entreprise, deviendrait incontestablement le haut fourneau. » (Les Mots du fer et des Lumières, Paris, Champion, 1993, p. 192).

Capacités et production

À titre indicatif, en 1806, la production de fonte dans un haut fourneau est de 4 tonnes/jour, en 1850 elle passe à 15 tonnes/jour. En 1974, le haut fourneau 4 d'Arcelor Dunkerque, avec ses 14 m de diamètre au creuset (ce diamètre est la donnée la plus significative pour juger la capacité) s'adjuge le record européen. Il peut fournir plus de 10 000 tonnes de fonte par jour.

Cependant, aujourd'hui, la plupart des hauts fourneaux, ont une taille légèrement plus petite, même si chaque rénovation d'un creuset est généralement une opportunité pour augmenter sa taille. Un diamètre de 11 m pour une production journalière de 6 400 t/jour est caractéristique d'un gros haut fourneau moderne. Ce tonnage correspond bien aux capacités des outils situés en aval, à l'aciérie.

Parallèlement à l'augmentation de la taille, l'abandon des minerais pauvres, comme la minette lorraine, a permis, à dimension égale, de quasiment doubler la production d'un haut fourneau.

Parmi les coproduits issus d'un haut fourneau, on peut citer :

• le laitier de haut fourneau, valorisé dans les travaux publics. Pour un haut fourneau fonctionnant avec des minerais de fer riches, on atteint généralement une proportion 317 kg de laitier de manière régulière pour 1 tonne de fonte produite.
• le gaz récupéré au gueulard, qui correspond à l'air chaud injecté au creuset, dont l'oxygène est devenu du monoxyde de carbone, est un bon combustible.

Il faut aussi mentionner le haut fourneau comme un outil de production du manganèse et du plomb^[1]. Actuellement, 30 % de la production de manganèse est issu de cette filière^[2] (le reste étant élaboré au four électrique). Pour le plomb, la proportion atteignait 71% en 1992^[3].

Constitution et fonctionnement

Appareil

Les différentes parties du haut fourneau

• La cuve, de forme cylindrique élargie dans le 1/4 de sa base, est constituée de briques réfractaires soutenues par une armature extérieure en tôle.
• Le chargement s'effectue par le haut (minerai de fer, déchets ferreux, coke ou « Charbon »).
• La récupération de la fonte s'opère par coulée au bas du four.
• Une injection d'air est effectuée au plus large du four, afin d'entretenir la combustion du charbon, permettant ainsi la fusion de tous les éléments.
• A l'opposé du point de coulée de la fonte on opère une coulée de laitier, récupération des déchets de la fusion, ou scories.
• La température est variable en fonction de la hauteur dans la cuve (de haut en bas):
  • 300 °C au niveau du gueulard, phase de dessiccation;
  • 400 °C à 800 °C, phase de réduction;
  • 900 °C à 1 200 °C, phase de carburation;
  • 1 200 °C, phase de fusion;
  • 1 600 °C, phase de liquéfaction, lieu des coulées.

Compte tenu de la forte présence de carbone au cours du processus, le produit obtenu est un alliage fer-carbone de type fonte (taux de carbone supérieur à 2.1 %).

Installations périphériques

Si la cuve d'un haut-fourneau est la partie la plus critique de l'outil, celle-ci ne représente qu'une petite partie des installations. La marche d'un haut-fourneau ne peut en effet pas s'envisager sans:

Plan incliné pour bennes téléphériques aux hauts-fourneaux de Völklingen

• des installations de stockage, de pesage, de montée et d'enfournement des matières premières

Un atelier, de dimensions parfois imposantes, stocke, crible et pèse les matières premières pour constituer les charges qui alimenteront le haut-fourneau. Ces charges calibrées, constituées de coke ou de minerai de fer, sont amenées au sommet de la cuve (le gueulard) par un plan incliné (si celui-ci est alimenté par skips ou bennes téléphériques), par un élévateur vertical à bennes ou par une bande transporteuse. Au gueulard, un dispositif (cloches ou pelle) étale la charge pour constituer les strates de minerai de fer et de coke.

• une installation de dépoussiérage des gaz

Les gaz issus du gueulard ont traversé les charges enfournées, en se chargeant de particules abrasives et polluantes. Le dépoussiérage de ces énormes quantités de gaz se fait généralement en deux étapes: une étape sèche (par cyclone ou pot à poussière) puis une étape humide dans un laveur.

• les compresseurs à vent froid et les fours à vent chaud

L'air soufflé dans les tuyères est réchauffé dans des fours à vent chaud (souvent appelés cowpers), qui sont chauffés par la combustion du gaz de haut-fourneau. Une fois chauds, la chaleur est restituée à l'air de soufflage qui atteint 1 200 °C. Les cowpers, qui sont généralement au nombre de 3 par haut-fourneau, sont des constructions aussi imposantes que la cuve elle-même.

Cyclones et pot à poussière d'un haut fourneau de Völklingen. On distingue derrière les 3 cowpers et leur cheminée.

Batterie de 3 cowpers à Duisbourg

Plan incliné d'un haut fourneau alimenté par skips à Monterrey

Installations annexes

Si les formes générales de la cuve ont peu évolué ces dernières décennies, beaucoup d'installations périphériques sont apparues ces dernières années. Leur rôle est essentiel pour assurer l'efficacité économique de l'outil, son adaptation aux évolutions économiques (fluctuations des cours des ferrailles, du minerai de fer, du charbon, ...)

• injection de charbon

Cette installation est composée d'un broyeur à charbon, d'un sécheur et d'un silo d'injection à débit contrôlé. Le charbon, finement broyé, est injecté niveau des tuyères, en même temps que l'air chaud et aide à l'obtention d'une atmosphère réductrice riche en CO. Les avantages recherchés sont:

• • substitution du coke par du charbon meilleur marché
  • amélioration du rendement chimique, le charbon étant injecté au meilleur endroit pour jouer son rôle d'agent réducteur
  • limitation de la teneur en soufre dissous dans la fonte qui est amené par le coke
  • enrichissement en CO du gaz de haut-fourneau qui devient meilleur combustible

Historiquement, l'injection de charbon a été précédée des injections fioul, moins performantes, mais qui n'exigeaient pas d'installation de broyage. Une injection de 200 kg de charbon par tonne de fonte produite est un point de fonctionnement fréquemment visé.

• traitement du laitier

La quantité de laitier produite par un haut-fourneau est comparable à celle de fonte. La valorisation de laitier en tant que remblais concassé est faite en coulant le laitier liquide dans des fosses, où celui-ci va craqueler en se solidifiant. Plus rentable, la vente sous forme de granulat est réalisée par des installations de bouletage, qui sont aujourd'hui progressivement remplacées par celles de granulation. Dans ces installations, le laitier liquide est violemment refroidi au contact d'eau. Le produit obtenu est un sable fin et homogène qui se vend aux cimenteries ou aux verreries.

Évolutions récentes ou à venir

Les recherches et modernisations actuelles visent essentiellement à améliorer la rentabilité et la durée de vie de l'outil. Cependant, la limitation de l'impact environnemental d'un haut fourneau est aujourd'hui une préoccupation essentielle.

• Améliorations économiques
  • circuit de préparation et d'enfournement des matières premières polyvalent et configurable. L'époque où la charge d'un haut-fourneau ne se composait que de minerai et de coke est révolue. Certains hauts fourneaux peuvent remplacer leur minerai par des déchets ferreux, mixer les qualités de minerais. Il est alors essentiel de contrôler finement l'arrivée et la disposition des charges dans le gueulard.
  • Augmentation de la pression dans la cuve pour améliorer le rendement de la carboréduction. Une pression supérieure à 2 bar est un objectif courant pour un haut-fourneau moderne.

• Améliorations de la durée de vie
  • creuset en matériau réfractaire à base carbone, à très haute conductivité thermique (le refroidissement du creuset crée alors une couche de fonte solidifiée qui protège les briques). La durée de vie des creuset a doublé en 30 ans: elle était de 10 ans en 1980, les objectifs actuels sont de 20 ans. Cet aspect est essentiel quand on sait qu'une réfection d'un creuset peut atteindre, en 2010, 100 millions d'euros.
  • refroidissement renforcé de la cuve. Là aussi, l'objectif est de créer une couche protectrice qui va protéger les parois de l'abrasion due au minerai.

• Améliorations environnementales
  • passage en circuit fermé des circuits d'eau de refroidissement et de granulation de laitier
  • Récupération de chaleur, notamment des fumées des fours de réchauffage du vent (cowpers)
  • Recyclage du carbone pour éviter l'émission de gaz à effet de serre. L'objectif des recherches actuelles consisterait à réinjecter aux tuyères le CO capté au gueulard, au lieu de le brûler pour produire de l'électricité^[4].

Les réactions chimiques

Le haut fourneau est un réacteur chimique, dont le fonctionnement à contre-courant (les gaz montent alors que la matière solide descend) lui assure un excellent rendement thermique.

Réactions globales

Le principe est de réduire par le monoxyde de carbone les oxydes de fer présents dans le minerai de fer métal.

Production de l'agent réducteur CO (monoxyde de carbone) :

La réaction globale est la suivante :

(a)

Compte tenu de l'excès de carbone et de la température, il y a conversion de la totalité de l'oxygène en monoxyde de carbone.

Il est en fait produit par la succession des deux réactions suivantes :

(b)

puis

(c) (réaction de Boudouard)

À partir de là, la réaction de réduction des oxydes de fer est la suivante :

(d)

Le coke a donc deux fonctions :

• par combustion, il produit l'agent réducteur (a) par combustion notamment en sortie des tuyères. La réaction est fortement exothermique, on atteint des températures de 2 200 °C.
• Il consomme le dioxyde de carbone (CO₂) produit par la réduction des oxydes de fer (c) pour régénérer l'agent réducteur (CO) des oxydes de fer.

La réduction des oxydes de fer

Les oxydes de fer se réduisent suivant la séquence suivante :

L'enchainement de température au niveau de la cuve sont les suivants (en partant du haut de la cuve en fonction de la température :

• T > 320 °C
  (e)
• 620 °C < T < 950 °C
  (f)
• T > 950 °C
  (g)

dans le bas de la cuve, il y a régénération de CO par la réaction de Boudouard (c) à une température d'environ 1 000 à 1 050 °C.

Voir aussi

Articles connexes

• Sidérurgie
• Fer
• laitier
• Fabrication de l'acier
• Histoire de la production de l'acier
• Aciérie

Notes et références

Liens externes

• Images de nombreux hauts fourneaux
• Historique de la sidérurgie, site de la commune de Poisson (Haute-Marne)
• Parc du haut-fourneau U4 à Uckange
• Georges Heuse, Les hauts fourneaux du XIVe siècle à Spa

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