Haut fourneau

Pour les articles homonymes, voir Fourneau.

Un haut fourneau est un four à combustion interne, destiné à la fabrication de la fonte à partir du minerai de fer. Cette fonte est par la suite affinée par chauffage (décarburation) ce qui permet de produire de la fonte et ses dérivés ferreux.

Histoire

Pour un article plus général, voir Histoire de la production de l'acier.

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 XV^e siècle. Mais jusqu'au XIX^e 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 XIX^e 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. »

Le français calque ainsi les appellations issues du francique « Hochofen ». À l'inverse, le mot anglais « blast furnace » se réfère à une caractéristique fondamentale du haut fourneau, l'injection forcée de l'air de combustion, le « vent ».

Le bas fourneau

Reconstitution d'un bas fourneau celtique doté d'une rigole pour la coulée des scories.

Articles détaillés : Bas fourneau et Tatara.

Le premier outil de réduction du minerai a été le bas fourneau. Dans sa forme la plus primitive, appelée « bas foyer », c'est un trou dans de sol d'environ 30 cm de diamètre, rempli de charbon de bois et de minerai. Le feu est généralement attisé au moyen d'un soufflet construit comme une outre en cuir. Au bout d'une dizaine d'heures, on démolit le four et récupère une loupe incandescente, de la taille du poing, mélange hétérogène de fer plus ou moins réduit et de scories. Bien que la température atteinte, entre 700 et 900 °C, y soit suffisante pour la réduction du minerai de fer, on est loin de la température de fusion du fer, de 1 535 °C.

L'évolution vers le bas fourneau « classique » consiste à surélever la construction et à la doter d'une ouverture latérale à sa base pour faciliter l'alimentation en air. Une courte cheminée facilite le rechargement du four pendant son fonctionnement, tout en activant le tirage. Des températures de 1 000 à 1 200 °C sont ainsi atteintes et les scories, devenues liquides, peuvent être extraites par l'ouverture.

La teneur en fer de ces scories, appelées laitier, diminue lorsque la température augmente. On attise alors le feu en renforçant le tirage naturel par augmentation de la hauteur en adossant, par exemple, la construction à un talus. De même, des soufflets permettent une alimentation en air plus efficace et mieux contrôlée. Ces « fourneaux à tirage naturel » et « à soufflets » produisent une loupe pesant de quelques kilos à plusieurs quintaux à l'issue d'une campagne de 4 à 20 h. Cette loupe est immédiatement débarrassée des morceaux de charbon et du laitier par un cinglage alterné avec plusieurs réchauffages, et finalement forgée pour obtenir les objets souhaités. En Europe occidentale, ces installations et les forges attenantes, dites « renardières », restent répendues jusqu'au XVIII^e siècle. Elles emploient alors de 5 à 10 hommes, la capacité des bas fourneaux de cette époque se situant à environ 60 à 120 tonnes de loupes par an, et consomment 270 kg de charbon de bois pour 100 kg de fer.

Le Japon importe le bas fourneau du continent vers le VIII^e siècle. La technique y est perfectionnée jusqu'à aboutir, au XV^e siècle, au tatara. La configuration du four change suivant le produit recherché : les tataras hauts de 0,9 à 1,2 m sont destinés à la fabrication de l'acier ; au-delà de 1,2 m ils produisent de la fonte blanche qui n'est extraite du four qu'après sa solidification. La faible perméabilité des sables ferrugineux utilisés limite la hauteur à 1,6 m, et bloque donc l'évolution vers le haut fourneau. Utilisé jusqu'au début du XX^e siècle, le tatara, dans sa forme finale, consiste en une structure industrielle pérenne, dédiée à l'exploitation d'un four en forme de grande baignoire, et produisant quelques tonnes de métal au cours d'une campagne d'environ 70 h, durée à laquelle on doit ajouter la construction du four.

En Afrique, les traces les plus anciennes de fours sidérurgiques sont des loupes de fer et de carbone en découvertes en Nubie (notamment à Méroé) et à Aksoum, et datées de 1000 – 500 av. J.-C.. Des bas fourneaux à tirage naturel sont utilisés sur ce continent jusqu'au début du XX^e siècle. Certains, d'une hauteur de 1 à 3 m, sont aménagés dans des termitières convenablement évidées et dans lesquelles on édifie un fourneau en argile. Des tuyères en céramique insérés à la base du fourneau permettent une alimentation adéquate en air. Au bout d'environ 20 h, on récolte une loupe grosse comme un ballon de football. De tels bas fourneaux, typiques du pays de Bassar, dans le Togo, utilisent le minerai très pur de Bandjéli.

L'invention du haut fourneau

En Chine

Puddlage à l'air (gauche) et haut fourneau (droite) (Song Yingxing, encyclopédie Tiangong Kaiwu, 1637).

Les Chinois commencent à faire fondre le fer dès le V^e siècle av. J.-C., durant la période des Royaumes combattantspendant laquelle les outils agricoles et les armes en fonte deviennent très répandus, tandis que les fondeurs du III^e siècle av. J.-C. emploient des équipes de plus de 200 hommes.

Le fer, issu d'une loupe obtenue au bas fourneau, est alors fondu dans des fours semblables au cubilot. Mais lorsque le fer chaud entre au contact avec le charbon de bois, il absorbe le carbone contenu dans le combustible jusqu'à s'en saturer. On obtient alors de la fonte, plus facile à fondre que le fer, homogène et débarrassée des impuretés présentes dans la loupe. Les Chinois développent l'élaboration de tous les composés du fer : outre l'affinage et le mazéage de la fonte, on fabrique au I^er siècle av. J.-C. de l'acier en mélangeant du fer et de la fonte.

En 31 ap. J.-C., le Chinois Du Shi améliore la ventilation avec l'utilisation de la force hydraulique pour mouvoir le soufflet. La combustion est plus vigoureuse et les premiers hauts fourneaux, qui produisent de la fonte directement à partir du minerai, apparaissent en Chine au I^er siècle, pendant la dynastie Han. Ces hauts fourneaux primitifs sont construits en argile et utilisent un additif, une « terre noire » contenant du phosphore (peut-être la vivianite) comme fondant. L'amélioration de Du Shi permet aussi à l'air de combustion de traverser une charge plus haute et les fours atteignent alors des dimensions imposantes : des restes d'un creuset ovale de 2,8 m × 4 m posé sur un socle de terre de 12 m × 18 m, avec des vestiges d'installations périphériques (rigole, mécanisme de hissage du minerai, soufflets...) ont été trouvés. Cet accroissement de taille, caractéristique du « haut » fourneau, contribue à l'obtention d'une température plus importante.

Durant la dynastie Han, la technique se développe, l'industrie du fer est même nationalisée. L'usage des hauts fourneaux et des cubilots reste répandu pendant les dynasties Song et Tang. Au IV^e siècle, l'industrie chinoise du fer limite la déforestation en adoptant la houille pour fondre le fer et l'acier. Cependant, si les procédés mis aux point garantissent l'absence de contamination du métal par le soufre contenu dans la houille, il n'y a pas de traces d'un usage combiné de la houille avec le haut fourneau. En effet, seul le charbon de bois a une qualité compatible avec l'utilisation au haut fourneau, car il doit être en contact avec le minerai pour pouvoir jouer son rôle d'agent réducteur.

Au XIX^e siècle, ces hauts fourneaux ont la forme d'un tronc de cône renversé, de 2 m de haut, d'un diamètre interne évoluant de 1,2 à 0,6 m du sommet vers la base. Les murs sont en argile et renforcés d'un treillis en fer. La sole peut être inclinée d'environ 30 ° pour une récolte plus commode de la fonte. Il est chargé avec de la limonite ou du Blackband (de) et, selon la construction, avec du charbon de bois ou du coke. Le vent est injecté par une soufflante à pistons. Un tel appareil produit alors de 450 à 650 kg de fonte par jour, avec une consommation de coke de 100 kg de coke pour 100 kg de fer produit</ref>.

Cette technologie ne disparaît qu'au début du XX^e siècle. On retrouve vers 1900 un haut fourneau similaire dans le Bulacan, aux Philippines. Plus tard encore, le « haut fourneau dans la cour » prôné par Mao Zedong pendant le Grand Bond en avant est de ce type. L'expérience n'est un échec technique que dans les régions où le savoir-faire n'existe pas, ou a disparu.

En Europe

Articles détaillés : Forge catalane et Stückofen.

Le bas fourneau est, pendant tout le Moyen Âge, un procédé nomade, qu'on édifie en fonction des affleurements de minerai et de la disponibilité du combustible mais, au début du XIII^e siècle, des fourneaux plus efficaces apparaissent. Ceux-ci, en utilisant l'énergie hydraulique pour souffler l'air de combustion, deviennent plus gros et valorisent mieux le combustible. Ces « fours à masse » sont des bas fourneaux dont la cuve est conservée : l'extraction de la loupe se fait par une grande ouverture à la base du four. Un exemple abouti de ce type de four est le Stückofen, de section carrée et maçonné, qui s'élève à 4 m au Moyen Âge, jusqu'à atteindre 10 m au XVII^e siècle pour ceux de Vordernberg en Styrie, alors un centre de production de fonte d'Europe centrale. Capables d'atteindre des températures de l'ordre de 1 600 °C, ces fours pouvaient fondre partiellement ou totalement le métal. Appelés dans ce dernier cas Flussofen (c'est-à-dire « fours à fondre »), ce sont d'authentiques hauts fourneaux produisant de la fonte en fusion.

Le haut fourneau de Duddon, au charbon de bois, daté de 1736. Les vestiges de hauts fourneaux de cette époque sont nombreux, notamment à cause de leur taille imposante qui a permis leur conservation.

Cette évolution, du bas fourneau vers un four à masse si élaboré qu'il peut produire de la fonte en fusion, se produit en Europe en divers endroits, du XII^e siècle au XV^e siècle. Le lieu et la date précise d'apparition des premiers hauts fourneaux ne sont pas encore établis avec certitude : les plus anciens hauts fourneaux européens attestés sont des vestiges de Lapphyttan, près de Norberg, en Suède, où le complexe a été actif de 1150 à 1350. À Noraskog dans la paroisse suédoise de Järnboås (sv), on a aussi trouvé des traces de hauts fourneaux encore plus anciens, datant peut-être de 1100. En Europe continentale, des fouilles ont mis à jour des hauts fourneaux en Suisse, dans la vallée de Dürstel, près de Langenbruck, et datés entre le XI^e et le XIII^e siècle. On a aussi identifié en Allemagne, un four produisant de la fonte en fusion (un Flussofen) dans la vallée de la Kerspe daté de 1275 et, dans le Sauerland, des hauts fourneaux originaux et datés du XIII^e siècle. Enfin, en France et en Angleterre, les cisterciens étudient et propagent les meilleures technologies métallurgiques : l'efficacité de leur fours à masse s'avère très proche de celle d'un haut fourneau.

Une transmission de la technologie de la Chine vers l'Europe est envisageable mais n'a jamais été démontrée. Au XIII^e siècle, Al-Qazvini note la présence d'une industrie du fer dans les monts Elbourz au sud de la mer Caspienne, dont les techniques auraient pu arriver par la route de la soie. Cette technologie aurait pu alors rayonner vers l'Europe, vers la Suède, suivant la route commerciale des Varègues (Rus') le long de la Volga, ou vers le Nord de l'Italie, où, en 1226, Le Filarète décrit un procédé en deux temps à Ferriere, avec un haut fourneau dont la fonte était coulée deux fois par jour dans de l'eau pour en faire un granulé.

S'il est plus probable que le haut fourneau soit apparu en Scandinavie et ailleurs indépendamment des inventions chinoises, la généralisation du haut fourneau en Europe s'amorce à Namur (Wallonie) au XV^e siècle. C'est la mise au point d'un procédé efficace d'affinage de la fonte, la « méthode wallonne », qui permet la production massive d'acier naturel. De là, les hauts fourneaux se répandent en France, dans le pays de Bray (Normandie), puis en Angleterre, dans le Weald (Sussex).

En effet, contrairement aux Chinois, « si les Européens ont fait de la fonte en Suède vers le XIII^e siècle, ils ne l'ont pas employée pour faire des moulages. Nous n'avons ni pots, ni poêles (pour la cuisson), ni cloches, ni plaques de foyer datant de cette époque ». Outre la mise au point de méthodes d'affinage de la fonte ( méthodes wallonne, champenoise, osmond, etc.), l'activité devient de plus en plus capitalistique. Les besoins en bois et en minerai, ainsi que la disponibilité de l'énergie hydraulique sont critiques. En 1671, les bas fourneaux de Putanges, en Normandie, sont vendus en bloc pour 500 livres, pour être remplacés par un haut fourneau loué 1 200 livres par an. Cette contrainte explique la survivance de bas fourneaux perfectionnés, comme la forge catalane qui, en France ne dispararait qu'au début du XIX^e siècle, lorsque le procédé Thomas se généralise.

Le haut fourneau moderne

La fonte au coke

La production de fonte, comme sa conversion en fer, reste très contrainte par ses besoins en bois. La consommation de combustible est considérable : pour obtenir 50 kg de fer par jour, il faut quotidiennement 200 kg de minerai et 25 stères de bois ; en quarante jours, une seule charbonnière déboise une forêt sur un rayon de 1 km. Ceci ne pose pas de problème tant que les défrichages sont utiles au développement de l'agriculture, mais au XIII^e siècle une limite est atteinte : les forêts gardent un rôle nourricier important, le bois est indispensable à la construction et au chauffage et la noblesse tire des revenus de l'exploitation forestière. Dès lors, la coupe du bois devient de plus en plus règlementée.

Le charbon, comme combustible et agent réducteur, avait été adopté par les Chinois durant la période des Royaumes combattants au IV^e siècle av. J.-C.. Bien que les Chinois aient mis au point un fourneau au charbon où ce combustible n'entrait pas en contact avec le fer, et que la houille était largement utilisée en complément du bois dans les forges au XVIII^e siècle, le remplacement du charbon de bois par cette roche dans un haut fourneau ne donnait que des fontes de mauvaise qualité.

En effet, la houille contient des éléments qui, faute de post-traitement approprié (le mazéage), modifient la qualité de la fonte. Le silicium, en limitant la solubilité du carbone dans le fer, va permettre la formation de lamelles de graphite, qui affaiblissent le métal. Le soufre est plus problématique : il est un élément fragilisant et affaiblissant dès que sa teneur dépasse 0,08 %. Lorsqu'il se combine au manganèse, fréquent dans les minerais de fer, il dégrade considérablement les qualités des aciers. Contrairement au cas du silicium, l'extraction du soufre dissous dans la fonte liquide est difficile car il ne peut être consumé par de l'air.

C'est Abraham Darby, qui réalise en 1709 la première coulée de fonte au coke, dans le petit haut fourneau de Coalbrookdale qu'il avait loué :

« Il lui vint à l'esprit qu'il était envisageable de fondre le fer dans le haut fourneau avec du charbon de terre, et, de là, il tenta premièrement d'utiliser du charbon brut, mais cela ne marcha pas. Il ne se découragea pas, transforma le charbon en cendre, comme cela est fait avec le touraillage du malt, et obtint enfin satisfaction. Mais il découvrit qu'une seule sorte de charbon de terre était la mieux adaptée à la fabrication de fer de bonne qualité… »

— T. S. Ashton, Iron and Steel in the Industrial Revolution

Évolution de la production de fonte (production totale et production au charbon de bois) dans trois pays d'Europe (Allemagne, France et Grande-Bretagne) et aux États-Unis.

Communiquant très peu sur les détails du procédé, les Darby améliorent continuellement le procédé et la qualité de la fonte produite. Vers 1750, Abraham Darby II parvient à convertir sa fonte au coke en acier de bonne qualité. Mais, avant la généralisation du puddlage au début du XIX^e siècle, il n'existe alors pas de procédé capable de convertir toute la fonte produite. L'adoption de la fonte moulée pour la fabrication d'objets résistants et bon marché est un élément clé de la révolution industrielle.

La généralisation du coke est lente, à la fois en raison de sa qualité souvent médiocre et des réticences de certains maîtres de forges, mais également à cause du protectionnisme pratiqué par les pays producteurs (France, Allemagne,…) vis-à-vis de l'expansion de la sidérurgie britannique. En 1760, le Royaume-Uni ne compte encore que 17 hauts fourneaux au coke mais 20 ans plus tard, le nouveau procédé s'y est généralisé.

En effet, s'affranchissant de la faible disponibilité du charbon de bois, la production de fonte britannique explose. En 1809, un siècle après l'invention de la fonte au coke, la production annuelle atteint 400 000 tonnes, alors que celle de fonte au charbon de bois oscille entre 15 000 et 25 000 tonnes sur cette même période. Après cette date, les hauts fourneaux au charbon de bois disparaissent du pays, alors qu'en France et en Allemagne, la production au coke est encore très marginale malgré quelques essais encourageants (en 1769 à Hayange et en 1796 à Gleiwitz). Mais dès la fin des guerres avec l'Angleterre, le procédé se développe sur le continent. La sidérurgie américaine, quant à elle, moins contrainte par la disponibilité en bois, développera l'usage de l'anthracite, abondant en Pennsylvanie, avant de l'abandonner progressivement au profit du coke.

Haut fourneau au coke exploité à Hayange en 1849.

Au XIX^e siècle, l'utilisation du coke permet un changement radical dans la technique. Outre la disponibilité de ce combustible, sa résistance à la compression à haute température permet de conserver une bonne perméabilité au gaz réducteur. La hauteur des hauts fourneaux atteint alors vingt mètres, ce qui améliore significativement le rendement thermique. L'augmentation de taille modifie aussi l'aspect du four : l'ancienne architecture pyramidale en maçonnerie est remplacée par une construction plus légère et plus solide en fer. Mieux refroidi, le revêtement réfractaire dure aussi plus longtemps.

En raison de sa qualité, la fonte au charbon de bois survit cependant, avec des productions très faibles. Bessemer, lors de la mise au point de son procédé, le dédie à l'affinage de fontes sudédoises au charbon de bois. Au début du XXI^e siècle, on rencontre encore quelques hauts fourneaux au charbon de bois d'eucalyptus, essentiellement au Brésil.

Le vent chaud

Doper la productivité du haut fourneau en y insufflant un vent préchauffé semble une démarche logique. De fait, un ingénieur nommé Seddeger défend l'idée dès 1799 et un autre, Leichs, la valide par des expériences de 1812 à 1822. Pourtant, en 1828, lorsque l'Écossais Neilson en brevette le principe, ces recherches sont accueillies avec un certain scepticisme :

« Sa théorie était en total désaccord avec la pratique établie, qui privilégiait un air le plus froid possible, l'idée communément admise étant que la froideur de l'air en hiver expliquait la meilleure qualité de la fonte alors produite. À partir de ce constat, les efforts des maîtres de forges s'étaient toujours dirigés vers le rafraîchissement de l'air insufflé, et divers expédients avaient été inventés dans ce but. Ainsi les régulateurs étaient peints en blanc, on passait l'air sur de l'eau froide et dans quelques cas, les pipes d'injection avaient même été entourées de glace. Quand donc, Neilson proposa d'inverser entièrement le process et d'employer de l'air chaud au lieu du froid, l'incrédulité des maîtres de forges est facilement imaginable… »

— R. Chambers, Biographical Dictionary of Eminent Scotsmen

En effet, personne n'avait alors compris que l'avantage de l'air froid réside uniquement dans le fait qu'il est plus sec! Mais Neilson, qui est un industriel, parvient à convaincre les directeurs de la Clyde Iron Works de réaliser quelques essais en 1929, qui s'avèrent encourageants. Il y devient vite capable d'atteindre 150 °C et, 3 ans plus tard, Calder Works met en œuvre un air à environ 350 °C.

L’intérêt de préchauffer l'air est facile à constater. Même en tenant compte de la consommation de combustible du réchauffeur, de type tubulaire, la chaleur apportée permet, entre autres, une économie globale de coke pouvant atteindre un tiers tout en diminuant sensiblement la teneur en fer du laitier. À l'inverse de l'usage du coke, qui avait mis presque un siècle à s'imposer, le procédé est rapidement adopté.

Le four de Cowper : le brûleur se situe à la base du puits et la masse de réfractaire est à gauche.
Malgré les évolutions ultérieures, l'allure générale du four a si peu changé qu'on l'appelle encore aujourd'hui cowper.

Un avantage de l'appareil de Neilson est qu'il se contente de charbon de qualité médiocre. Cependant, le pouvoir calorifique des gaz de haut fourneau, qui s'enflamment spontanément en sortant du gueulard, n'avait échappé à personne : dès 1814, le Français Aubertot les récupérait pour chauffer quelques fours annexes de son usine. En effet, ces gaz contiennent une faible proportion (environ 20 % à l'époque) de monoxyde de carbone, un gaz toxique mais combustible. En 1837, l'Allemand Faber du Faur met au point le premier réchauffeur d'air fonctionnant au gaz de haut fourneau.

Il reste encore à mettre au point une installation de captation de gaz au gueulard qui n'interfère pas avec le chargement des matières. Faber du Faur prélève ces gaz avant que ceux-ci ne sortent de la charge, par des ouvertures ménagées dans l'épaisseur de la cuve, et les collecte dans une conduite annulaire. Les charges qui se trouvent au-dessus de ces ouvertures servent alors de fermeture. En 1845, James Palmer Budd en brevette une amélioration, en prélevant les gaz sous le gueulard. Enfin, en 1850, apparaît à Ebbw Vale le système de fermeture du gueulard avec une cloche, qui s'impose progressivement.

Ces gaz, qui ont traversé la charge, doivent être dépoussiérés pour ne pas colmater les fours : des pots à poussière, des cyclones et des filtres épurent ces fumées jusqu'à des teneurs en poussières de quelques milligrames par normo mètre cube. Ces installations tiennent compte des contraintes liées à gestion d'un gaz toxique produit en grandes quantités.

Cependant, au-delà de 400 °C, même les meilleures chaudières métalliques se dégradent rapidement. Pour encourager le développement d'un réchauffeur efficace, Neilson se contente d'une modeste royaltie d'un shilling par tonne produite avec son procédé.

Si un appareil de briques réfractaires permet des fonctionnements à des températures plus élevées, la faible conductivité thermique du matériau amène à un fonctionnement fondé sur l'accumulation et la restitution de chaleur au lieu de la conduction. Fort de ce constat, l'ingénieur britannique Cowper dépose en 1857 un brevet. Les premiers essais démarrent dès 1860, aux usines de Clarence et permettent de dépasser 750 °C, mais les briques, empilées en quinconce suivant l'idée de Carl Wilhelm Siemens, supportent mal le cyclage thermique. Cowper réagit en proposant la même année des améliorations qui préfigurent le four définitif : la flamme est éloignée des briques, et celles-ci comportent des canaux rectilignes.

Si les fours continueront encore d'évoluer, les principes techniques permettant d'atteindre une température de 1 000 °C en utilisant une énergie jusque là inutilisée sont adoptés : les cowpers deviennent indissociables du haut fourneau.

Capacités et production

À 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 14,1 m de diamètre au creuset (ce diamètre, ou le volume de la cuve, est une donnée commode pour évaluer la capacité de production) s'adjuge brièvement le record mondial. 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 fréquemment 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, riche en 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), du silicium (production de ferrosilicium) et du plomb. En 1992, 30 % de la production de manganèse étaient issus de cette filière (le reste étant élaboré au four électrique) ; pour le plomb, la proportion atteignait 71 %.

Constitution et fonctionnement

Appareil

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):
  • 300 °C au niveau du gueulard, phase de dessiccation;
  • 400 °C à 800 °C, phase de réduction;
  • 900 °C à 1 200 °C, phase de carburation;
  • 1 200 °C, phase de fusion;
  • 1 600 °C, phase de liquéfaction, lieu des coulées.

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

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

• des installations de stockage, de pesage, de montée et d'enfournement des matières premières

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.

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  Cyclones et pot à poussière d'un haut fourneau de Völklingen. On distingue derrière les 3 cowpers et leur cheminée.

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  Plancher de coulée à Duisbourg avec, au premier plan, une rigole, et derrière, à gauche et à droite du trou de coulée, la boucheuse et la déboucheuse.

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  Ouvriers manœuvrant le bouchon d'argile d'un haut fourneau à l'usine sidérurgique la Providence à Réhon en 1978.

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  Batterie de 3 cowpers à Duisbourg.

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  Plan incliné d'un haut fourneau alimenté par skips à Monterrey.

Installations annexes

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.

• traitement du laitier

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

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

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

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

Améliorations récentes

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.
  • 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.
  • 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 ».

• 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.
  • Récupération de chaleur, notamment des fumées des fours de réchauffage du vent (cowpers).
  • Récupération de l'énergie de détente pneumatique des gaz captés au gueulard par un ensemble turbo-alternateur.
  • 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.

Perspectives

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.

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 .

Notes et références

Références

• (en) Patricia Buckley Ebrey, Anne Walthall et James B. Palais, East Asia: A Cultural, Social, and Political History, Boston, Houghton Mifflin, 2005 (ISBN 0-618-13384-4) 

• J. Levainville, L'Industrie du Fer en France, Paris, Armand Colin, coll. « Armand Colin » (n^o 19), 1922, 210 p. [lire en ligne] 

• Adolf Ledebur, Manuel théorique et pratique de la métallurgie du fer, Tome I et Tome II  (voir dans la bibliographie)

• Jacques Corbion (préf. Yvon Lamy), Le savoir… fer — Glossaire du haut fourneau : Le langage… (savoureux, parfois) des hommes du fer et de la zone fonte, du mineur au… cokier d'hier et d'aujourd'hui [détail des éditions] [lire en ligne] 

• Daniel Rivet, L'acier et l'industrie sidérurgique [détail des éditions] 

• (en) Thomas Turner, The metallurgy of iron: By Thomas Turner...  (voir dans la bibliographie)

• Emmanuel-Louis Grüner, Traité de métallurgie — métallurgie générale, 1878  (voir dans la bibliographie)

• (de) Otto Johannsen, Geschichte des Eisens, Düsseldorf, Verlag Stahleisen mbH, 1953, 3^e éd. 

Voir aussi

Bibliographie

• 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 [détail des éditions] 
• (en) Thomas Turner (dir.), The metallurgy of iron: By Thomas Turner... : Being one of a series of treatises on metallurgy written by associates of the Royal school of mines, C. Griffin & company, limited, coll. « Griffin's metallurgical series », 1908, 3^e éd., 463 p. (ISBN 1177692872 et 978-1177692878) [lire en ligne] 
• Emmanuel-Louis Grüner, Traité de métallurgie [détail des éditions] [Tome 1 et Tome 2 lire en ligne]] 

Articles connexes

• Sidérurgie
• Fer
• laitier
• Fabrication de l'acier
• Histoire de la production de l'acier
• Aciérie

Liens externes

• Historique de la sidérurgie, site de la commune de Poisson (Haute-Marne)