sidérurgie (suite)

Pour assurer la combustion du coke, on envoie un courant d’air chaud, ou vent, soufflé par des tuyères situées dans la partie basse de l’appareil au niveau de l’ouvrage. Du gueulard s’échappent des gaz chauds contenant approximativement 55 p. 100 d’azote, 25 p. 100 de monoxyde de carbone et 15 p. 100 de bioxyde de carbone, qui, après captage et épuration, sont, en partie, utilisés pour le chauffage du vent dans des récupérateurs, ou cowpers, constitués par des briquetages alvéolés qu’ils échauffent ; après un échauffement suffisant des briquetages, on envoie de l’air en sens inverse qui récupère la chaleur et est soufflé vers les tuyères. Chaque haut fourneau est muni d’au moins deux récupérateurs cowpers, chacun d’eux fonctionnant alternativement en échauffement et en refroidissement. Ce sont des tours de grandes dimensions, en rapport avec la capacité des hauts fourneaux qu’elles alimentent, d’une hauteur de 40 m environ et d’un diamètre de près de 10 m.

Le haut fourneau est le siège de réactions physico-chimiques complexes ainsi que d’échanges thermiques qui s’échelonnent à ses différents niveaux et résultent des deux courants principaux établis en sens inverse : les charges solides qui descendent en 15 ou 20 heures pour former la fonte et le laitier, et le courant gazeux ascendant qui traverse l’appareil en une demi-minute. En partant de l’introduction du minerai à la partie supérieure, les principales réactions sont les suivantes.

• Dans la zone supérieure de la cuve s’effectuent l’éventuelle dessiccation du minerai et des autres charges, d’autant plus limitée que la proportion de minerai aggloméré est importante, ainsi que la décomposition des carbonates (sidérose décomposée en sesquioxyde de fer).

• Dans la zone médiane de la cuve se poursuivent les réactions de réduction des oxydes de fer, successivement en oxyde magnétique Fe₃O₄, puis en protoxyde FeO :
3 Fe₂O₃ + CO → 2 Fe₃O₄ + CO₂ ;
Fe₃O₄ + CO ⇄ 3 FeO + CO₂.
Cette zone est également le siège d’importants échanges thermiques, ce qui permet aux charges solides d’atteindre la température des gaz vers 900 °C et explique son rôle de régulateur thermique dans le cas de variations des conditions de soufflage du vent.

• Dans la zone du ventre s’effectue la réduction du protoxyde en fer :
FeO + CO ⇄ Fe + CO₂.

• Dans la zone des étalages, plusieurs réactions se poursuivent simultanément, notamment la carburation partielle du fer par l’oxyde de carbone aboutissant à la formation de la fonte (alliage de fer et de carbure cémentite Fe₃C), qui entre en fusion en raison de la température très élevée de cette région :
3 Fe + 2 CO ⇄ Fe₃C + CO₂.
D’autres réactions importantes pour la qualité de la fonte, amorcées dans les zones supérieures, atteignent leur plénitude et permettent la répartition des divers éléments des charges : les phosphates sont décomposés et réduits et le phosphore passe intégralement dans la fonte ; la silice provenant des silicates est partiellement réduite et le silicium libéré passe dans la fonte, alors que la partie non réduite de la silice sert à la confection du laitier ; l’oxyde de manganèse réduit par le carbone et le silicium libère le manganèse, qui se répartit entre la fonte et le laitier ; la chaux, l’alumine et la magnésie ne sont pas réduites et constituent le laitier.

• Dans la région de l’ouvrage où débouchent les tuyères d’amenée d’air se produisent la combustion du coke avec formation de monoxyde de carbone, principal élément réducteur de l’appareil, ainsi que la désulfuration grâce à l’action d’un laitier riche en chaux.

• Dans le creuset, les liquides se rassemblent, le laitier surnageant sur la fonte, ce qui permet leur coulée séparée.

Les types de fontes élaborés au haut fourneau résultent non seulement de la composition des minerais (teneur en fer et en manganèse, nature de la gangue), mais de la température atteinte dans l’appareil. Cette dernière est conditionnée par la température de fusion du laitier, dont le rôle prépondérant sur la marche du haut fourneau permet d’obtenir suivant les conditions :
— des fontes d’affinage servant à l’élaboration de l’acier et dont la composition est adaptée au procédé d’affinage ultérieur : soit fonte blanche au manganèse et à faible teneur en silicium, avec une proportion notable en phosphore pour les procédés basiques d’aciérie (à l’oxygène, Thomas ou Martin), soit fonte grise riche en silicium et en manganèse et non phosphoreuses pour les procédés acides d’aciérie (à l’oxygène, Bessemer ou Martin) ;
— des fontes grises de moulage, soit mises en forme directement à la sortie du haut fourneau, soit refondues aux cubilots pour alimenter les fonderies ;
— des ferro-alliages à forte teneur en manganèse et en silicium, principalement utilisés en aciérie comme additions finales pour la désoxydation du bain et son ajustement en élément d’alliage (ferromanganèse, ferrosilicium, spiegel).

Parmi les améliorations apportées au fonctionnement du haut fourneau afin d’augmenter sa production, ce sont celles qui sont relatives aux conditions de soufflage du vent qui sont les plus sensibles. Tout d’abord, pour mieux maîtriser les réactions chimiques, il est nécessaire que le courant de gaz ascendant ait une vitesse uniforme dans toute la charge, ce qui est favorisé en maintenant une contre-pression au niveau du gueulard, c’est-à-dire une surpression qui atteint dans certains appareils 1,5 à 2 bar. D’autres améliorations sont apportées par l’augmentation de la température du vent, de 900 à 1 300 °C : l’enrichissement du vent en oxygène, l’injection dans le vent de fuel, de charbon pulvérisé, de vapeur d’eau ou d’hydrocarbures (gaz naturel).

Procédés d’aciérie

L’acier est élaboré en majeure partie par affinage de la fonte, mais aussi par refusion de ferrailles récupérées et, en quantité encore limitée, par réduction directe du minerai. La fonte sortant du haut fourneau est maintenue en fusion dans une poche de grande capacité, le mélangeur, dont le rôle est d’homogénéiser la composition de la fonte provenant de plusieurs appareils, de constituer un stockage intermédiaire et de poursuivre le traitement de désulfuration.