Haut-fourneau
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Généralités
Un haut-fourneau est un four à combustion interne, destiné à la fabrication de la fonte. Cette fonte est par la suite affinée par chauffage (décarburation) ce qui permet de produire de l'acier et des dérivés ferreux.
Historique
Les chinois découvrire la fonte durant la période des Royaumes combattants (IVe siècle av. J.-C.– 220 av. J.-C.).
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 mètre. L'on découvrit également que le combustible et le minerai descendent dans le four pendant la combustion. Lors de sa descente, le fer se recarbure et devient de la fonte. La carburation du fer abaisse sa température de fusion. L'on peut maintenant extraire du métal liquide du haut-fourneau. La première conséquence de l'utilisation de cette technologie fut l'augmentions de la production. La deuxième fut la découverte (ou redécouverte) de la fonte. La première coulée de fonte a eut lieu à Liège vers 1450. Il faudra attendre le XVe siècle pour voir se développer réellement les hauts-fourneaux. L'on notera que l'utilisation de la force hydraulique au XIVe siècle fut le départ de nombreuses innovation pour l'industrie sidérurgique de l'époque. Elle permit le développement du concassage du minerai et des martinets utlisés pour le forgeage. L'expansion est également lié au développement de l'imprimerie qui permet de faire circuler l'information (publication du « De Re metallica » de l'allemand Georg Bauer dit Agricola en 1546).
En 1709 a lieu la première coulée au coke en Angleterre à Coalbrookdale par Abraham Darby (1678-1717). le coke remplace le charbon de bois. Le haut-fourneau moderne est né. Le coke présente l'avantage d'augmenter sensiblement les rendements et ne s'écrase pas comme la houille. Le procédé au coke est perfectionné par le fils et petit fils de Abraham Darby (qui s'appellent également Abraham Darby). Cependant, l'utilisation du coke met du temps à se généraliser. En 1760, l'Angleterre ne compte que 17 hauts-fourneaux au coke et ce n'est qu'en 1780 que son usage s'y généralise. En France, les premiers essais au coke n'ont lieu qu'en 1769 à Hayange (département français de la Moselle). En 1860 encore un tiers de la fonte française est produite dans des hauts-fourneaux au charbon de bois.
Pendant le XVIIIe siècle le haut fourneau prend sa forme définitive. Le chargement se fait par la gueule (haut du haut-fourneau).
Au XIXe siècle l'utilisation du coke provoque un changement radical dans la technique. La hauteur des hauts-fourneaux atteint trente mètre. Les soufflets sont remplacés par des pistons en fonte actionnés par la vapeur.
En 1828 l'anglais 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 en Angleterre). ce qui permet d'économiser un tiers du charbon (par rapport au procédé de l'époque). Le procédé est rapidement adopté. En 1870 les anglais Cooper et Whitwell mettent au point un procédé utilisant les gaz chauds et combustibles rejetés par le haut fourneau pour chauffer les vents.
Capacités
Un haut-fourneau moderne peut fournir plus de 2 millions de tonnes de fonte par an.
Constitution et fonctionnement
Haut-fourneau.png
- La cuve, de forme cylindrique élargie dans le 1/4 de sa base, est constitué de briques réfractaires soutenues par une armature extérieur de poutrelles métalliques.
- 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 tout les éléments.
- A l'opposé du point de coulée de la fonte on opère une coulé 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 dessication;
- 400 °C à 800 °C, phase de réduction;
- 900 °C à 1 200 °C, phase de carburation;
- 1 800 °C, phase de fusion;
- 1 600 °C, phase de liquation, lieu des coulées.
Compte tenu de la forte présence de carbone au cours du process, le produit obtenu est alliage fer-carbone de type fonte (taux de carbone supérieur à 2.1 %).
Les réactions chimiques
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 Boudouart)
A 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 2200°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
[e]
dans le bas de la cuve, il y a régénération de CO par la réaction de Boudouart [c] à une température d'environ 1000 – 1050°C.
Voir aussi
- Acier électrique
Lien externe
- Historique de la sidérurgie, site de la commune de Poisson (Haute-Marne) (52)