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la sidérurgie ou le travail du fer
Urbex Haut Fourneaux
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Les haut-fourneaux et l'acierie

Les haut-fourneaux m'ont toujours interessés. Le fer en fusion, les tours immenses, les salles des machines. Ici un petit aperçu de la production d'acier.

L'acier est fabriqué à partir de minerai de fer et de charbon.

Préparation du minérai
Le minerai se compose en grande partie d'oxydes de fer. Le minerai est soit aggloméré (par la chaleur), soit broyé et humidifié (on en profite pour ajouter divers produits dont une petite partie de cokes, environ 5%). On en fait des boulettes qu'on cuit. Le cokes brule et on obtient ainsi une structure plus poreuse, qui est nécessaire dans le haut fourneau. Cette structure poreuse permet le passage de l'air.
Plus d'informations: installations annexes.

Le charbon est transformé en coke par distillation. Il s'agit du résidu du charbon quand les gaz se sont échappés. Les gaz sont récupérés et utilisés dans l'industrie chimique. La partie des gaz qui est combustible (gaz de ville) est utilisée pour chauffer le four. Le coke a une structure poreuse très recherchée.

On doit utiliser du coke et pas du charbon, car le charbon contient des contaminants (en particulier du soufre) qui est éliminé pendant la distillation (il s'échappe sous forme de gaz). Il est possible de réduire par après le taux de soufre dans l'acier, mais c'est une opération coûteuse, et il vaut mieux travailler avec des matières premières plus pures, que d'avoir à purifier la fonte par après. Malgré tout, la fonte contient toujours des traces de soufre, mais son élimination est moins problématique quand il y en a moins.
Plus d'informations sur la cokerie

Haut fourneau
Les deux produits sont introduits en haut du four. A la base, on insuffle de l'air surchauffé à 1200°. Les cokes brûlent et livrent la chaleur pour liquéfier le fer. Il y a un manque d'oxygène dans le fourneau: les cokes en combution réduisent ainsi le minerai de fer (riche en oxygène) en fer.
Description plus détaillée: haut fourneau moderne.

On récolte la fonte brute au bas du fourneau. Le laitier, c'est à dire les déchets du minerai flottent sur la fonte en fusion et sont récoltés séparément. La fonte est transportée dans des torpilles à l'aciérie.

La fonte brute n'est que rarement utilisée telle quelle: elle contient encore trop d'impuretés et surtout trop de carbone qui la rend cassante. Certains hauts fourneaux recoivent une charge bien spécifique pour produire des fontes qui peuvent directement être utilisées (bouches d'égout). le HF d'Uckange était dans ce cas.

C'est à partir d'ici que commence l'explication des dessins.

Désulfuration

On réduit d'abord le taux de soufre par injection de carbure de calcium (cette opération se fait souvent près du HF). On utilise maintenant plutot du magnésium ou de la soude, qui ne sont pas des produits aussi dangereux que le carbure. Une lance pénètre dans la torpille et injecte le mélange dans la fonte (premier dessin). Le gaz porteur est l'azote.

Convertisseur à oxygène
On verse la fonte dans un creuset, on élimine le laitier ("afslakken") et on verse la fonte dans le convertisseur ("vullen"). On ajoute une partie de ferrailles triées. Les ferrailles vont absorber l'excès de chaleur (produit par les réactions) et fondre. C'est une manière très économique de fondre des ferrailles car il ne faut pas apporter d'énergie. La chaleur est apportée par l'oxidation du carbone et d'autres inpuretés présent dans la fonte.

Avec une lance on injecte de l'oxygène pur dans la fonte. Comme le carbone se lie plus facilement à l'oxygène que le fer, il s'échappe sous forme de monoxide et de dioxyde de carbone. Ce procédé s'appelle BOF (Basic Oxygen Furnace) dans les pays anglo-saxons, le "basic" indique que le laitier est alcalin. D'autres impuretés comme le phosphore sont égalent brulés. Il s'agit du systèle LD ou Linz-Donawitz (du nom du lieu où le procédé a été mis au point).

On utilise de l'oxygène pur au lieu de l'air, car l'azote présent dans l'air va autrement se dissoudre dans le fer en fusion. L'azote réduit la capacité d'emboutissage de l'acier et en accélère le vieillissement. L'oxygène doit être injecté par une lance qui plonge dans le bain, car le revêtement du four ne résisterait pas à l'augmentation de la température en cas d'injection à la base du four.

On injecte de l'argon à la base du convertisseur (système LBE: Lance-Brassage-Equilible). L'argon va permettre un meilleur brassage et augmenter le rendement. Il y a alors moins de pertes en fer (qui s'échappent sous forme de volutes brunes). Le grand problème est en effet l'élimination du phosphore et celui ne se produit qu'à la fin du traitement au convertisseur, quand toutes les autres impuretées ont été éliminées.

Dans certaines installations, on injecte de la chaux vers la fin de l'affinage pour lier le phosphore. Il faut que le phosphore soit éliminé sans que le fer ne soit à nouveau oxidé.

Les gaz de convertisseur ne sont plus brulés dans une torchère, mais utilisés comme carburant pour réchauffer l'air des haut fourneaux (dans les cowpers) ou pour réchauffer les brames avant le laminage. L'excès de gaz est envoyé à une centrale électrique.

Systèmes différents

Bien que le procédé à l'oxygène a remporté un grand succès lors de son lancement, toutes les aciéries n'ont pas changé de système d'un jour à l'autre. L'utilisation de l'oxygène produit une augmentation plus élevée de la température et permet donc d'utiliser plus de ferrailles (moins chères). Le système à l'oxygène injecté par lance produit une réaction extrèmement énergique et rapide qu'il n'est pas facile de controler. Il est nécessaire d'injecter rapidement l'air ou l'oxygène pour permettre un brassage correct de la fonte. Certaines aciéries ont simplement augmenté le taux d'oxygène injecté, d'autres aciéries ont utilisé une injection d'oxygène à la base du four, mais limitent l'augmentation de la température par une injection de dioxyde de carbone à l'extérieur de l'injection d'oxygène.

Le dioxyde de carbone forme une sorte de gaine autour de l'oxygène et protège la base du four. La haute chaleur présente dans le four produit un cracking. C'est une réaction endothermique qui limite l'augmentation de la température à la base du convertisseur.

Actuellement on injecte une petite quantité d'hydrocarbures à la place du dioxyde de carbone (moins de 10% du gaz injecté). Ce système est appellé OBM (Oxygen Bottom Maxhutte) et a été mis au point dans les années 1970. Ce système très perfectionné permettait un meilleur controle des réactions, et donc la fabrication d'aciers de plus haute qualité. Il a été utilisé à l'aciérie de Charleroi.

Desoxygenation (calmage)

La fonte est maintenant un acier effervescent. L'acier contient de l'oxygène et d'autres gaz dissous qui vont se libérer à la solidification, causant des poches dans l'acier. Un tel acier peut être coulé en lingots (l'effervescence fait que les impuretés se concentrent dans la partie de l'acier encore liquide: on élimine alors cette partie par après). L'acier effervescent ne peut pas être coulé en continu: il y aurait constamment des boursouflures.

On ajoute de l'aluminium ou du silicium pour lier l'oxygène, selon qu'on veut des produits plats (tôles) ou long (poutrelles, ronds à béton,...). Cela est effectué par une lance qui plonge dans l'acier en fusion et injecte les produits pulvérisés, car il y a constamment une couche de laitier qui flotte sur l'acier. On utilise un gaz inerte (ici aussi l'argon) comme gaz propulseur.

On élimine à nouveau la couche de laitier et on récupère l'acier ("afgieten").

L'acier qui est maintenant dit sauvage contient encore trop de résidus qui devront être éliminés. Un moyen pour éliminer les résidus gazeux dissous dans l'acier en fusion est un passage sous vide ("ontgassen"). Souvent, plusieurs traitements sont effectuées selon le type d'acier désiré.

Mise à nuance

Après élimination des résidus, l'acier est mis à nuance en ajoutant les éléments d'alliage voulus. Il s'agit par exemple de chrome pour les aciers inoxydables. Cette opération s'effectue dans la métallurgie en poches. Ce sont des réacteurs plus petits que les convertisseurs et permettent un dosage plus précis et une production mieux adaptée.

Coulée continue
La dernière phase est la coulée continue suivi du laminage. Ces opérations sont effectuées à l'aciérie même, quand l'acier est encore chaud et liquide. Les brames ainsi obtenues sont laminées à chaud pour faire des plaques d'acier d'environ 1mm d'épaisseur. Cet acier est enroulé (coils). C'est ici que s'arrète la phase à chaud (haut fourneau - convertisseur - métallurgie en poches - coulée continue). Les produits semi-finis sont décrits ici.

Acier à partir de ferrailles
Les haut fourneaux gros producteurs de gaz à effet de serre sont souvent mis à l'arrêt au lieu de faire l'entretien (qui doit se faire tous les 15 ans environs). Le coût est de 100 millions d'euro et l'installation est mise à l'arrêt pendant de nombreux mois. Pas étonnant que les sidérurgistes préfèrent passer au traitement de la ferraille qui ne demande pas d'investissements aussi importants et hasardeux (que seront les taxes sur le dioxyde de carbone dans 5 ou dix ans?)

De plus, la demande de nouveau fer est en baisse constante grâce à la récupération de ferrailles. La situation est même telle que l'Europe est exportatrice de ferrailles, nous produisons plus de ferrailles que ce que l'industrie sidérurgique n'a besoin.

Le problème qui limite l'utilisation de la ferraille sont les couts énergétiques qui sont très élevés en Europe pour faire fondre les ferrailles (aciérie électrique). Le fonctionnement du site industriel est le plus économique quand on limite l'utilisation de ferrailles à la quantité que peut absorber le convertisseur lors de la décarburation de la fonte au convertisseur LD (à oxygène).

Les ferrailles sont composées de mitrailles (déchets industriels (chutes), récupération de métaux (démolitions) et ferrailles diverses (recyclage d'appareils). Ces mitrailles sont soigneusement triées (il faut éviter la présence de cuivre qui rend l'acier cassant). Le cuivre est un métal plus noble que le fer et il ne s'allie pas facilement aux additifs, comme le font le soufre et le phosphore présent dans le fer "naturel" (issus du minérai). Le cuivre, une fois présent dans l'acier ne peut plus être éliminé.

Le fer est liquéfié dans un four à arc électrique, et suit ensuite le même traitement que la fonte (sans décarburation, puisque ce fer ne contient pratiquement pas de carbone).

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