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8 décembre 2012 6 08 /12 /décembre /2012 07:47

Historique

Éléments étymologiques 

 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 XIXe 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 XIXe 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[1]. »

Genèse et développements du haut fourneau

Les premiers à avoir développé le haut fourneau furent les chinois (voir Histoire de la production de l'acier#Chine et Extrême-Orient)

Au cours du XIVe siècle, 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 1 200 °C) 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.

En Europe, le lieu et la date précise d'apparition des hauts fourneaux ne sont pas encore établis avec certitude ; ils semblent avoir été connus au XIVe siècle dans la région de Liège ; des structures fouillées en Suède ainsi qu'en Westphalie, datée du XIIIe siècle pourraient également être des fourneaux de ce type. Ils se généralisent au XVe 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 XVIIIe siècle, la durée d'allumage des hauts fourneaux allait généralement de cinq à

Représentation d'un haut fourneau au XVIIe siècle[2]. 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)[note 1]

 neuf mois en fonction de la disponibilité de l'énergie hydraulique ; ils étaient rechargés par le gueulard en charbon de bois, minerai et castine ; 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. Le procédé au coke est perfectionné par le fils et petit-fils d'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.

Paysage industriel des hauts fourneaux d'Anzin, avant la Première Guerre mondiale

Au XIXe siècle l'utilisation du coke provoque un changement radical dans la technique. La hauteur des hauts fourneaux atteint trente mètres, les creusets s'agrandissent, la cuve est supportée par une charpente métallique. Les soufflets sont remplacés dès 1776, par les premières machines soufflantes - des pistons en fonte actionnés par la vapeur - qui sont le fruit de la collaboration entre l'ingénieur écossais James Watt et Wilkinson[3].

En 1828, le Britannique Neilson a l'idée de chauffer le vent (air injecté dans le bas du haut fourneau). En 1829, il réalise la première machine industrielle qui chauffe l'air à 150 °CClyde, au Royaume-Uni). Ceci permet d'économiser un tiers du charbon par rapport au procédé de l'époque. Le procédé est rapidement adopté.

 

 

À la même époque, en 1814, le Français Aubertot, parvient à capter les gaz émis au gueulard avant que ceux-ci ne s'enflamment au contact de l'air.

 

 

Ce gaz, combustible, est utilisé en 1837 par l'Allemand Faber du Faur pour préchauffer le vent dans un four tubulaire. En 1870, les Britanniques Cowper et Whitwell mettent au point un four utilisant les gaz de gueulard, fondé sur le principe de l'accumulation/restitution de chaleur, et capable d'atteindre de hautes températures.

Capacités et productionÀ 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, ou le volume de la cuve, est la donnée la plus significative pour juger la capacité) s'adjuge brièvement le record mondial[4]. 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 mise à profit pour en augmenter la 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 de fonte d'un haut fourneau.

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

  • le laitier de haut fourneau, généralement valorisé comme matière première dans la fabrication de ciment. 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 (par la production de ferromanganèse[5]), du silicium[6] (production de ferrosilicium) et du plomb[7]. En 1992, 30 % de la production de manganèse étaient issus de cette filière[8] (le reste étant élaboré au four électrique) ; pour le plomb, la proportion atteignait 71 %[9].

Constitution et fonctionnement[modifier]

Appareil[modifier]

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).
  • 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.
  • La coulée de laitier, qui correspond aux scories issues de la fusion des stériles du minerai, se fait après la coulée de fonte (le laitier flottant sur la fonte, il n'apparait au trou de coulée qu'une fois que le niveau de fonte dans le creuset est suffisamment bas). Si le haut-fourneau consomme des minerais pauvres en fer, la quantité de laitier produite peut imposer l'utilisation d'un trou dédié, situé plus haut.
  • La température est variable en fonction de la hauteur dans la cuve (de haut en bas):

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[modifier]

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

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.

  • les halles de coulée

Plus qu'une halle, l'endroit où la fonte et le laitier débouchent est un véritable outil: le bouchage et le débouchage régulier du trou de coulée, la séparation de la fonte du laitier (par siphon si le trou de coulée est commun au deux produits), l'entretien des rigoles à fonte et à laitier, l'analyse et l'aiguillage des liquides en fusion vers les poches, ... en font un ensemble distinct et complexe. Les contraintes mécaniques et thermiques liées au passage régulier de fluides chauds amènent généralement à des conceptions de rigoles et de dalles articulées.

  • 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.

Installations annexes[modifier]

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 au 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.

Le volume de laitier produit par un haut-fourneau est comparable à celui de la fonte. La valorisation de laitier en tant que remblai 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.

Les réactions chimiques[modifier]

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[modifier]

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 :

\mathrm{C + \frac{1}{2} O_2 \longrightarrow CO} (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 :

\mathrm{C + O_2 \longrightarrow CO_2} (b)

puis

\mathrm{C + CO_2 \longrightarrow 2CO} (c) (réaction de Boudouard)

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

\mathrm{Fe_2O_3 + 3CO \longrightarrow 2Fe + 3CO_2} (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[modifier]

Les oxydes de fer se réduisent suivant la séquence suivante :

\mathrm{Fe_2O_3 \longrightarrow Fe_3O_4 \longrightarrow FeO \longrightarrow Fe}

L'enchaînement de température au niveau de la cuve est le suivant (en partant du haut de la cuve en fonction de la température :

  • T > 320 °C
    \mathrm{3Fe_2O_3 + CO \longrightarrow 2Fe_3O_4 + CO_2} (e)
  • 620 °C < T < 950 °C
    \mathrm{Fe_3O_4 + CO \longrightarrow 3FeO + CO_2} (f)
  • T > 950 °C
    \mathrm{FeO + CO \longrightarrow Fe + CO_2} (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.

Évolutions récentes ou à venir[modifier]

Améliorations récentes[modifier]

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
    • Augmentation de la taille. Cette tendance, amorcée très tôt dans l'histoire des hauts fourneaux, se justifie par la réduction des frais d'investissement et de fonctionnement, qui augmentent moins vite que la taille de l'installation.
    • 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.
    • Adaptation aux combustibles bon marché, en remplaçant le coke par une injection de charbon, de gaz naturel ou de mazout aux tuyères. L'évolution des prix de chacun de ces combustibles a justifié le remplacement du mazout par du charbon broyé après le deuxième choc pétrolier[10].
    • 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[note 2].
    • Amélioration de la qualité de la fonte : pour l'ensemble de la filière « des raisons économiques s'opposeront, en effet, à ce qu'on multiplie assez les opérations de l'affinage pour tirer d'une mauvaise fonte un fer parfait[11] ».
  • 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 creusets 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 que la réfection d'un haut fourneau est dictée par l'état de son creuset et que ce chantier 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[12].
    • Récupération de chaleur, notamment des fumées des fours de réchauffage du vent (cowpers)[12].
    • Récupération de l'énergie de détente pneumatique des gaz captés au gueulard par un ensemble turbo-alternateur[12].
    • Condensation de vapeur, notamment celles produites lors de la granulation de laitier, pour éviter l'émission de dioxyde de soufre ou de sulfure d'hydrogène[12].

Perspectives[modifier]

L'adoption de l'injection de charbon pourrait atteindre des niveaux proches de 300 kg de charbon par tonne de fonte produite. Cette injection de charbon, accompagnée d'une augmentation de la teneur en oxygène du vent soufflé dans le haut fourneau, qui dépasserait alors 50 %, doperait encore la productivité du haut fourneau. Mais surtout, celui-ci se métamorphoserait alors en un véritable gazogène, qui serait alors couplé à une unité de production d'électricité[13].

D'autres pistes font également l'objet d'intenses recherches : réinjecter aux tuyères le CO capté au gueulard amènerait aussi à un fonctionnement où l'azote, gaz inerte, serait limité au maximum de manière à doper la productivité du haut fourneau. Dans ce cas, c'est surtout la production de gaz à effet de serre qui serait réduite, puisque le gaz ne serait plus brûlé pour produire de l'électricité [14].

Notes et références[modifier]

Notes[modifier]

  1. Ces deux coupes d'un four 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.
  2. L'augmentation de la pression va notamment ralentir les gaz réducteurs, ce qui donne plus de temps aux réactions chimiques pour se produire.

Références[modifier]

  1. Roland Eluerd, Les Mots du fer et des Lumières : Contribution à l'étude du vocabulaire de la sidérurgie française (1722-1812), Paris, Honoré Champion, coll. « Bibliothèque de littérature moderne », 16 décembre 1993, 524 p. (ISBN 2852033186) (OCLC 231616930), p. 192 
  2. Adolf Ledebur (trad. Barbary de Langlade revu et annoté par F. Valton), Manuel théorique et pratique de la métallurgie du fer, Tome I et Tome II, Librairie polytechnique Baudry et Cie éditeur, 1895 
  3. Rémy Volpi. Mille ans de révolutions économiques: la diffusion du modèle italien. Editions L'Harmattan, 2002 Consulter en ligne [archive]
  4. Olivier C. A. Bisanti, « L’aventure sidérurgique de Fos-sur-Mer [archive] », Soleil d'acier, 15 avril 2002
  5. Edmond Truffaut, « La fabrication du ferromanganèse en France, 1875-2003. Naissance, vie et mort d'un procédé industriel. [archive] », Soleil d'acier, 30 octobre 2004
  6. N. Kanda & K. Mpiana, « Etude sur la fabrication de ferrosilicium au bas-Congo [archive] » sur http://docs.google.com [archive], Bulletin du centre de recherches géologiques et minières, 2004. Consulté le 06/11/2009
  7. Schéma d'un haut fourneau à plomb [archive]. Consulté le 2009-07-04
  8. Description du Manganèse sur SfC.fr [archive]. Consulté le 2009-07-04
  9. Description du Plomb sur SfC.fr [archive]. Consulté le 2009-07-04
  10. Codetec et Cerchar (préf. J. Rastoin), Injections de charbon aux tuyères des hauts fourneaux, t. 11, Paris, Editions Technip, coll. « Cahier de l'utilisation de charbon », 1988, 113 p.     -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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