Hauts fourneaux
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Top GasGaz de haut fourneau
ThroatGeulard
StackCuve
BellyVentre
BoshEtalages
EarthCreuset
Burden layersCouches de minérai
Cokes slitsCouches de coke
Cohesive zoneZone de ramolissement
Active coke zoneZone de coke actif (combustion et réduction directe)
Dead ManCoke non-réactif
RacewayFlame
TapholeTrou de coulée

Fonctionnement d'un haut fourneau moderne

Le haut fourneau est chargé par le haut. On ajoute alternativement des couches de cokes et de minérai de fer. Au début de l'industrialisation, on avait tendance à mélanger le coke et le minérai en estimant que cela augmenterait le rendement, mais actuellement on travaille uniquement avec des couches séparées.

En effet, la réduction du fer se produit par les gaz réducteurs extrèmement chauds (le monoxyde de carbone) alors que le minérai n'est pas encore fondu. L'utilisation de couches permet une meilleure circulation de ces gaz chauds et assure que la plus grande partie du fer est réduit quand il arrive au niveau des tuyères. Il est très important que le minérai chauffe de façon homogène.

La réduction indirecte (à partir de monoxyde de carbone produit par combution incomplète du coke) procure un meilleur rendement énergétique: actuellement une charge séjourne à peine quelques heures dans le four et l'air met moins de 10 secondes à traverser tout le four. Les réactions sont plus efficaces entre le minérai et le monoxyde de carbone qu'entre le minérai et le coke. Pour augmenter le rendement, le four travaille en surpression.

Il y a également une phase de réduction directe (à partir du carbone du coke), mais c'est une réaction moins efficace et les sidérurgistes préfèrent la réduction indirecte.

  • Le minérai est sèché par les vents chauds qui ont une température supérieure à 100°.
  • Les réactions de réduction sont intenses quand le minérai, réchauffé par les gaz ascendants atteint environ 500°.
  • A partir de 1000°, le minérai devient mou, c'est la zone où le minérai à tendance à s'agglomérer: cette phase ne doit donc pas durer trop longtemps. Le fer est pratiquement pur, mais contient encore de la gangue.
  • La température continue à monter. C'est dans cette zone que le carbone se dissous dans le fer. La fonte ainsi obtenue a un point de fusion plus bas et s'écoule dans le creuset.
  • Finalement, le laitier devient également liquide à partir de 1400°. On maintient la température du four à 1500° pour avoir une réserve.

La distribution correcte du minérai et du coke est très importante.

C'est pour cela qu'on est passé d'un système à double cloche à un système de versement direct par double sas.

Dans le système à double cloche, on distribue la charge avec un mélangeur rotatif dans la cloche et des plaques métalliques qui vont diriger la chute quand on ouvre la cloche inférieure.

Le minérai et le coke descendent dans le four à chaque coulée mais également entre les coulées par la combustion du coke et par la réduction du minérai.

Le creuset qui récolte le fer en fusion contient du coke qui n'a pas réagi. Ici, il y a trop peu d'oxygène pour permettre la combusion du coke. Le coke plus léger a tendance à flotter au dessus du bain, mais est repoussé par toute la masse présente dans le fourneau.

L'augmentation du rendement est atteint par un prétraitement du minérai (élimination de la gangue, grillage, boulettage,...) qui permet une meilleure circulation des gaz chauds réducteurs. On élimine autant que possible les fines, c.a.d. les poussières de coke et de minérai. Ces poussières bloquent la circulation de l'air et produisent des zones froides. Quand la charge descent, ces zones froides forment des blocs agglomérés où les réactions chimiques sont trop lentes. Finalement ces blocs arrivent au niveau des tuyères et peuvent provoquer un retour de flame quand on injecte de la poussière de charbon. Même si les blocs finissent par fondre, ils produisent une fonte de mauvaise qualité car le traitement correct n'a pas été suivi.

Si l'évolution des températures n'est pas correcte, on obtient de la fonte de moins bonne qualité: le processus est notament établi de telle manière que la fonte soit la plus pure possible.

Si la température dans le creuset est trop faible, la fonte et le laitier ne s'écoulent pas correctement. Il faut rapidement percer un passage jusqu'au coeur du fourneau (on utilise pour cela des lances à oxygène). En effet, il n'est pas possible de mettre le four à l'arrêt (on peut tout au plus le faire travailler au ralenti). Si on laisse le niveau monter trop haut, les matières liquides atteignent rapidement les tuyères et peuvent provoquer une percée avec une éjection de matières en fusion. C'est une situation extrèmement dangereuse, car la pression dans le four est élevée et chasse les matières à plus de 10m. (quand on effectue une coulée normale, on réduit temporairement la pression des vents chauds, de plus, le coke dans le creuset stabilise la pression). Les fours actuels qui ont un haut rendement (utilisation de minérai sous forme de boulettes (pellets), injection de charbon, enrichissement des vents chauds en oxygène,...) nécessitent une coulée toute les deux heures.

Et nous terminons par une vue générale, qui n'a pas vraiment changé depuis la seconde guerre mondiale.

Les photos utilisées sur cette page sont extraites de

Modern Blast Furnace Ironmaking (2009)
Maarten Geerdes | Hisko Toxopeus | Cor van der Vliet
ISBN 978-60750-040-7

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