Haut fourneau

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vue panoramique d'un plancher de coulée, le four étant au centre.
Coulée au Haut fourneau 2 de Dąbrowa Górnicza (Pologne). La disposition de l'appareil au centre d'une halle circulaire est typique des hauts fourneaux soviétiques (panorama).

Le haut fourneau[note 1] est une installation industrielle destinée à simultanément désoxyder et fondre le métal contenu dans un minerai, par la combustion d'un combustible solide riche en carbone. En général[note 2], le haut fourneau transforme du minerai de fer en fonte liquide, en brûlant du coke qui sert à la fois de combustible et d'agent réducteur. Bien que la fonte produite est un matériau à part entière, ce métal est généralement destiné à être affiné dans des aciéries.

Le haut fourneau produit de la fonte en fusion, par opposition au bas fourneau, qui produit une loupe de fer solide. Il en est pourtant une évolution directe, mais il ne s'est généralisé que lorsqu'on a su valoriser la fonte produite. Ainsi, la Chine développe dès le Ie siècle l'usage du haut fourneau en même temps que la fonderie. L'Occident ne l'adopte qu'après le XIIe siècle, avec la mise au point des méthodes d'affinage de la fonte en acier naturel. C'est là qu'il évolue vers sa forme actuelle, la généralisation du coke et du préchauffage de l'air de combustion contribuant à la première révolution industrielle.

Devenu un outil géant, sans que son principe fondamental ne change, le haut fourneau est maintenant un ensemble d'installations associées à un four. Malgré l'ancienneté du principe, l'ensemble reste un outil extrêmement complexe et difficile à maîtriser. Son rendement thermique et chimique exceptionnel lui a permis de survivre, jusqu'ici, aux bouleversements techniques qui ont jalonné l'histoire de la production de l'acier.

Qu'il soit « cathédrale de feu » ou « estomac »[SF 3], le haut fourneau est aussi un symbole qui résume souvent un complexe sidérurgique. Il n'est est pourtant qu'un maillon : situé au cœur du processus de fabrication de l'acier, il doit être associé à une cokerie, une usine d'agglomération et une aciérie, usines au moins aussi complexes et coûteuses. Mais la disparition de ces usines, régulièrement annoncée au vu des progrès de l'aciérie électrique et de la réduction directe, n'est pourtant toujours pas envisagée.


Histoire[modifier | modifier le code]

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

Éléments étymologiques[modifier | modifier le code]

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 XVe siècle. Mais jusqu'au XIXe 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[SF 4]. Ce n'est qu'au milieu du XIXe 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[1]. »

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[modifier | modifier le code]

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[J 1],[SF 5]. 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[2].

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[3].

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 »[SF 6] 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[J 2]. En Europe occidentale, ces installations et les forges attenantes, dites « renardières »[SF 7], restent répandues jusqu'au XVIIIe 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[J 3].

Le Japon importe le bas fourneau du continent vers le VIIIe siècle. La technique y est perfectionnée jusqu'à aboutir, au XVe 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 XXe 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[4],[J 4].

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.[5],[6]. Des bas fourneaux à tirage naturel sont utilisés sur ce continent jusqu'au début du XXe 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[J 1].

L'invention du haut fourneau[modifier | modifier le code]

En Chine[modifier | modifier le code]

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 Ve siècle av. J.-C., durant la période des Royaumes combattants[7]pendant laquelle les outils agricoles et les armes en fonte deviennent très répandus, tandis que les fondeurs du IIIe siècle av. J.-C. emploient des équipes de plus de 200 hommes[EWP 1].

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[note 3], 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[note 4], on fabrique au Ier siècle av. J.-C. de l'acier en mélangeant du fer et de la fonte[10],[8].

En 31 ap. J.-C., le Chinois Du Shi améliore la ventilation avec l'utilisation de la force hydraulique pour mouvoir le soufflet[11]. La combustion est plus vigoureuse et les premiers hauts fourneaux, qui produisent de la fonte directement à partir du minerai, apparaissent en Chine au Ier siècle, pendant la dynastie Han[EWP 1],[12]. Ces hauts fourneaux primitifs sont construits en argile et utilisent un additif, une « terre noire » contenant du phosphore[note 5] (peut-être la vivianite[8]) comme fondant[13]. 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[14]. Cet accroissement de taille, caractéristique du « haut » fourneau, contribue à l'obtention d'une température plus importante[note 6].

Durant la dynastie Han, la technique se développe, l'industrie du fer est même nationalisée[SF 8]. L'usage des hauts fourneaux et des cubilots reste répandu pendant les dynasties Tang et Song[16]. Au IVe 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[17],[EWP 2].

Au XIXe 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[J 5].

Cette technologie ne disparaît qu'au début du XXe siècle. On retrouve vers 1900 un haut fourneau similaire dans le Bulacan, aux Philippines[J 6]. 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[modifier | modifier le code]

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[F 1] mais, au début du XIIIe 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[note 7],[18], de section carrée et maçonné, qui s'élève à 4 m au Moyen Âge, jusqu'à atteindre 10 m au XVIIe siècle pour ceux de Vordernberg en Styrie, alors un centre de production de fonte d'Europe centrale[J 7]. 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[SF 9].

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 XIIe siècle au XVe siècle[SF 10]. 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[19],[20]. 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[21]. En Europe continentale, des fouilles ont mis au jour des hauts fourneaux en Suisse, dans la vallée de Dürstel, près de Langenbruck, et datés entre le XIe et le XIIIe siècle[22]. 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[23] et, dans le Sauerland, des hauts fourneaux originaux[note 8] et datés du XIIIe siècle[24]. 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[25],[26].

Une transmission de la technologie de la Chine vers l'Europe est envisageable mais n'a jamais été démontrée. Au XIIIe siècle, Al-Qazwini 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[27]. 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[27], avec un haut fourneau dont la fonte était coulée deux fois par jour dans de l'eau pour en faire un granulé[28].

S'il est plus probable que le haut fourneau soit apparu en Scandinavie et ailleurs indépendamment des inventions chinoises[20], la généralisation du haut fourneau en Europe s'amorce à Namur (Wallonie) au XVe 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[18]. De là, les hauts fourneaux se répandent en France, dans le pays de Bray (Normandie), puis en Angleterre, dans le Weald (Sussex)[29].

En effet, contrairement aux Chinois, « si les Européens ont fait de la fonte en Suède vers le XIIIe 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[20] ». 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[F 2]. Cette contrainte explique la survivance de bas fourneaux perfectionnés, comme la forge catalane qui, en France ne dispararait qu'au début du XIXe siècle, lorsque le procédé Thomas se généralise[G 1].

Le haut fourneau moderne[modifier | modifier le code]

La fonte au coke[modifier | modifier le code]

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[30],[F 1]. Ceci ne pose pas de problème tant que les défrichages sont utiles au développement de l'agriculture, mais au XIIIe 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[31],[32]. Dès lors, la coupe du bois devient de plus en plus règlementée[31].

Le charbon, comme combustible et agent réducteur, avait été adopté par les Chinois durant la période des Royaumes combattants au IVe siècle av. J.-C.[7]. Bien que les Chinois aient mis au point un fourneau au charbon où ce combustible n'entrait pas en contact avec le fer[9], et que la houille était largement utilisée en complément du bois dans les forges au XVIIIe siècle, le remplacement du charbon de bois par cette roche dans un haut fourneau ne donnait que des fontes de mauvaise qualité[F 3].

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[L 1]. Le soufre est plus problématique : il est un élément fragilisant et affaiblissant dès que sa teneur dépasse 0,08 %[SF 11]. Lorsqu'il se combine au manganèse, fréquent dans les minerais de fer, il dégrade considérablement les qualités des aciers[L 1]. 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[note 9], dans le petit haut fourneau de Coalbrookdale qu'il avait loué[J 8],[33] :

« 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[note 10] à la fabrication de fer de bonne qualité[33]… »

— 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[A 1], 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[33]. Mais, avant la généralisation du puddlage au début du XIXe siècle, il n'existe alors pas de procédé capable de convertir toute la fonte produite[35]. L'adoption de la fonte moulée pour la fabrication d'objets résistants et bon marché est un élément clé de la révolution industrielle[36],[37],[38].

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[F 4]. 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[39].

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[39], alors qu'en France et en Allemagne, la production au coke est encore très marginale malgré quelques essais encourageants (en 1769 à Hayange[A 1] et en 1796 à Gleiwitz[35]). Mais dès la fin des guerres avec l'Angleterre, le procédé se développe sur le continent[A 1]. 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[40].

Haut fourneau au coke exploité à Hayange en 1849.

Au XIXe 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[41]. 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[T 1].

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[42]. Au début du XXIe siècle, on rencontre encore quelques hauts fourneaux au charbon de bois d'eucalyptus, essentiellement au Brésil[43].

Le vent chaud[modifier | modifier le code]

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[44]. Pourtant, en 1828, lorsque l'Écossais Neilson en brevette le principe, ces recherches sont accueillies avec un certain scepticisme[45] :

« 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[45]… »

— 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[34]! Mais Neilson, qui est un industriel, parvient à convaincre les directeurs de la Clyde Iron Works de réaliser quelques essais en 1829, qui s'avèrent encourageants[45]. 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[44].

L’intérêt de préchauffer l'air est facile à constater. Même en tenant compte de la consommation de combustible du réchauffeur[L 2], de type tubulaire[G 2], la chaleur apportée permet, entre autres[note 11], une économie globale de coke[note 12] pouvant atteindre un tiers tout en diminuant sensiblement la teneur en fer du laitier[SU 1]. À l'inverse de l'usage du coke, qui avait mis presque un siècle à s'imposer, le procédé est rapidement adopté[note 13].

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[T 4]. 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[T 5]. En effet, ces gaz contiennent une faible proportion (environ 20 % à l'époque) de monoxyde de carbone, un gaz toxique mais combustible[T 6]. En 1837, l'Allemand Faber du Faur met au point le premier réchauffeur d'air fonctionnant au gaz de haut fourneau[L 3].

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[L 3]. En 1845, James Palmer Budd en brevette une amélioration, en prélevant les gaz sous le gueulard[T 7]. Enfin, en 1850, apparaît à Ebbw Vale le système de fermeture du gueulard avec une cloche, qui s'impose progressivement[T 8].

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[T 9]. Ces installations tiennent compte des contraintes liées à gestion d'un gaz toxique produit en grandes quantités[L 4].

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[note 14].

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[L 5]. Fort de ce constat, l'ingénieur britannique Cowper dépose en 1857 un brevet[SF 13]. Les premiers essais démarrent dès 1860, aux usines de Clarence[G 3] et permettent de dépasser 750 °C[47], mais les briques, empilées en quinconce suivant l'idée de Carl Wilhelm Siemens, supportent mal le cyclage thermique[44],[L 6]. 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[44].

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[SF 14].

Constitution[modifier | modifier le code]

Haut fourneau du parc paysager de Duisbourg nord.
Bâtiments (de g. à dr.) : atelier, skip, conduites de gaz, avec pot à poussières derrière la rampe du skip, appareil (dans la tour carrée), halle de coulée, réchauffeurs de vent

Le terme haut fourneau désigne parfois le four lui-même, mais il se réfère plus exactement à l'ensemble des installations liées à la marche du four[SF 1]. Quant au four lui-même, on peut l'appeler cuve mais la cuve étant elle-même une partie du four[SF 15], on préfère employer le terme appareil pour le désigner[SF 16].

Au début du XXe siècle, les hauts fourneaux étaient fréquemment construits en batterie, et on trouvait souvent, étroitement associées à la production de fonte, une cokerie et une unité d'agglomération de minerai. Actuellement, les hauts fourneaux sont des outils géants et distincts de ces outils amonts[MF 1].

Une installation de haut fourneau concerne donc, outre le four lui-même, tout un ensemble d'autres installations essentielles qui assurent la réception du coke et de l'aggloméré. On y compte l'atelier de préparation des matières solides, avec un système d'alimentation en continu jusqu'au gueulard. La production du vent et son réchauffage forme une installation distincte mais étroitement associée à la marche du haut fourneau. On y trouve aussi les installations dédiées au traitement du gaz de haut fourneau, ainsi que celles qui assurent la gestion du laitier et de la fonte en fusion[SU 2].

Atelier des matières[modifier | modifier le code]

La préparation des charges[modifier | modifier le code]

Les matières constituant la charge arrivent par train, par bateau ou, dans le cas des usines intégrées, par bandes transporteuses depuis l'usine d'agglomération et la cokerie. Les matières sont stockées, plus ou moins au sec, dans des trémies en béton ou en acier. Un stockage au pied l'outil est une obligation stratégique car « le haut fourneau du XXe siècle est condamné à un travail continu. Il ne peut s'éteindre qu'avec les plus grandes précautions. Son arrêt, si court soit-il, peut ruiner la forge et les industries qui en dérivent. Par cela même, il exige des stocks considérables de combustible et de minerai[F 5] ».

Historiquement, cette nécessité a imposé l'installation des usines sidérurgiques près des gisements de charbon ou de minerai[F 5]. Cette proximité a été essentielle à la rentabilité jusque dans les années 1970[MF 2], et explique les différences de conception des hauts fourneaux, dont notamment les installations de préparation des charges de nombreux hauts fourneaux actuels.

Quel que soit le haut fourneau, l'aggloméré et le coke sont systématiquement criblés juste avant leur chargement, pour y retirer les fines créées par les manutentions diverses et qui ont tendance à colmater le four. On trouve aussi des circuits d'additions plus ou moins nombreux, de fondants (silex[SF 17], minerai de fer rocheux[48]), d'agents réducteur (petit coke ou anthracite[48]), d'enrichissement en fer de la charge (ferrailles, minerai de fer préréduit, boulettes[48]) et parfois d'additifs spéciaux (l'ilménite pour protéger les réfractaires[48],[49], la bauxite pour augmenter l'hydraulicité du laitier granulé[48]etc.).

Chargement[modifier | modifier le code]

Vue d'un skip à deux bennes depuis le gueulard. La benne en position haute est en train de basculer pour sa vidange.

À partir de l'atelier, le coke et l'aggloméré sont montés à l'ouverture supérieure de la cuve, le « gueulard ». Si, historiquement, des bennes étaient utilisées[note 15], on n’utilise maintenant plus que des skips ou des bandes transporteuses[50].

L'alimentation par skip est la plus compacte. Les hauts fourneaux utilisent des skips à deux bennes, qui font contre-poids et permettent d'avoir un débit de matière plus élevé et continu. Pour les hauts fourneaux modernes, on préfère installer des tapis roulants pour l'alimentation. S'ils ne peuvent franchir que des pentes plus faibles et nécessitent donc plus de place, ils ont une plus grande capacité, sont plus faciles à automatiser et endommagent moins les matières[S 1],[Ta 1].

Fermeture du gueulard[modifier | modifier le code]

Article détaillé : gueulard.
Vue dans le sas de gueulard avec une fermeture à cloche

Le gaz de haut fourneau sortant du gueulard est un gaz pauvre composé essentiellement d'azote (N2) venu des tuyères et qui traverse la charge sans réagir, de monoxyde de carbone (CO) et de dioxyde de carbone (CO2). La récupération de ce gaz toxique mais combustible s'est généralisée au milieu du XIXe siècle[note 16], lorsque Parry met au point un obturateur conique qui permet la récupération des gaz sans perturber l'enfournement[J 9],[T 8].

Au début du XXe siècle le gueulard de Parry est amélioré par McKee, avec un système de deux cloches superposées, la cloche supérieure répartissant la matière, l'inférieure assurant l'étanchéité, l'ensemble se comportant comme un sas[51]. Ce système et ses variantes devient incontournable jusque dans les années 1970. À cette époque, le diamètre et la pression des hauts fourneaux augmentant, des gueulards à 3 ou 4 cloches s'imposent pour garantir une distribution plus homogène des matières et une meilleure étanchéité. Les poids croissants de cette construction (composée d'éléments de 120 tonnes… à hisser jusqu'au sommet du haut fourneau), ainsi que l'étanchéité insuffisante des systèmes à cloches[note 17], limitent alors la taille des hauts fourneaux[52].

Si les gueulards à cloches existent encore au début du XXIe siècle, l'invention par la société luxembourgeoise Paul Wurth du gueulard sans cloche marque, au début des années 1970, une rupture dans la conception des hauts fourneaux modernes. Celui-ci consiste en un ou plusieurs silos qui, après avoir été mis à la pression du haut fourneau, se vidangent progressivement dans le haut fourneau, la chute des matières étant dirigée par une goulotte mobile[52]. Ce système et ses dérivés se généralisent depuis [D 1]. En effet, quoique plus complexe que les cloches, sa légèreté et sa polyvalence sont incontournables à l'alimentation des hauts fourneaux géants (de plus de 8 000 tonnes/jour), tandis que son étanchéité permet des fonctionnements à haute pression (3 bar) qui améliorent la productivité de la cuve[S 2].

Appareil[modifier | modifier le code]

Forme[modifier | modifier le code]

Schéma de l'appareil d'un haut fourneau

Le réacteur du haut fourneau (appelé aussi « four »[SF 18], « cuve »[SF 15] ou « appareil »[SF 16]) hérite de ses ancêtres une forme de cheminée, qui favorise le tirage ainsi que le contact entre matières et gaz. Cette cheminée change de section pour accompagner les modifications que subit le minerai en descendant : dilatation thermique, puis contraction due au frittage du minerai, et enfin fusion[50]. Les formes idéales ont été, et sont encore, déterminées de manière empirique, à partir des observations des fours arrivés en fin de vie ; ainsi la section circulaire s'est imposée malgré sa construction plus délicate[53], et le ventre créé dans les zones d'usure :

« Le profil qu'il faut donner à un fourneau est évidemment celui qu'il prendra après quelques semaines de marche et qu'il conservera pendant tout le temps où l'allure est régulière[G 4]. »

— E.-L. Grüner, Traité de métallurgie

Alors que la diversité des profils a été longtemps justifiée par les particularités des minerais locaux (plus ou moins perméables, riches ou fusibles) et des combustibles (les hauts fourneaux au charbon de bois se reconnaissent à leur petit creuset), la forme générale du réacteur tend à s'homogénéiser[G 5], suivant en cela la généralisation de l'utilisation de minerais d'importation riches et la compréhension des réactions métallurgiques.

Principes de construction de hauts fourneaux :
g. : haut fourneau à marâtre
dr. : haut fourneau autoporteur, avec équipement interne complet

Le creuset est particulier car il collecte les liquides issus de la fusion du minerai, qui percolent à travers le coke non brûlé, alors que le reste de la cuve ne voit que des solides et du gaz. Ainsi, le creuset a été jusqu'à une date récente, indépendant de la cuve, posée sur des colonnes (haut fourneau dit « à marâtre »). Mais ces colonnes compliquant l'accessibilité au trou de coulée, et les problèmes d'étanchéité entre les deux parties étant critiques[54], cette conception est progressivement abandonnée depuis les années 1960, au profit des cuves en un seul élément (haut fourneau dit « autoporteur »)[55],[S 3],[Ta 2].

Dimensions[modifier | modifier le code]

« Ce réacteur, le plus gros de tous les réacteurs industriels[SF 1] », fonctionne à contre-courant (les gaz chauds montent et les matières froides descendent). Sa hauteur lui assure un excellent rendement thermique, supérieur à 70%[T 10], mais, limitée par la résistance à l'écrasement du minerai aggloméré, elle s'est stabilisée à environ 30 mètres dès la fin du XIXe siècle. Sa capacité de production, qui dépend de son volume interne, peut donc être résumée à son diamètre interne, considéré au niveau des tuyères ou du creuset[SF 1]. Cette surface circulaire est un goulot limitant les réactions car c'est là que la vitesse ascendante des gaz est maximale (à cause de leur température) : elle s'oppose alors à la descente des matières qui entrent en fusion[48] : une productivité de 75 tonnes/m²/jour est la limite actuelle[56].

Évolution des dimensions au cours de l'histoire[57] (dimensions approximatives)
Blast furnaces - development of profile and size.png
Région – époque Ø creuset
d (m)
Haut.
H (m)
Vol. utile
(m3)
Production
(tonnes/j.)
1) 1861 0,9 15,3 64 25
2) Allemagne fonte
spéc. années 1930
4,5 20,0 425 450
3) Allemagne fonte
acier et Thomas 1961
6,5 24,0 900 1 200
4) RFA 1959 9,0 26,1 1 424 > 2 000
5) URSS 1960 9,8 29,4 1 763 4 000
6) Japon 1968 11,2 31,5 [note 18]2 255 6 000
7) Allemagne 1971/72 14,0 36,7 4 100 ≈ 10 000

Blindage et maçonnerie réfractaire[modifier | modifier le code]

L'utilisation du coke, en permettant la construction de hauts fourneaux de grande taille, entraîne l'abandon, au cours du XIXe siècle, des constructions en pierres de taille au profit d'une enveloppe métallique[T 1]. L'enveloppe d'un haut fourneau autoportant moderne est une cuve métallique soigneusement construite, le « blindage », dont l'épaisseur varie de 10 cm, au creuset, à 4 cm au gueulard. Ce blindage assure essentiellement deux fonctions : porter le revêtement interne réfractaire, et évacuer la chaleur[SF 19].

Le revêtement réfractaire interne doit résister à des agressions de nature thermique, mécanique et chimique. Comme ces sollicitations changent suivant les zones, et qu'il n'est pas question, pour des raisons de coûts[note 18] d'y généraliser les matériaux de meilleure qualité, on trouve des réfractaires de composition variable.

Principales sollicitations physiques et matériaux utilisés[60]
Haut-fourneau Cuve.svg
Zone Sollicitations physiques Matériau réfractaire Chaleur à extraire[61]
(kW/m² en marche stabilisée)
Haut de cuve Chocs mécaniques et abrasion. « Plaques de chocs » en acier dur moulé.
Carbure de silicium lié avec de l'argile.
12
Mi-cuve Attaque chimique par CO et alcalins.
Fluctuations thermiques possibles.
Réfractaires alumineux : sillimanite (62% Al2O3) ou corindon (84% Al2O3). 18
Bas de cuve
Ventre
Étalages
Usure par les gaz et les charges.
Attaque chimique par CO et alcalins.
Chaleur, fortes[note 19] fluctuations thermiques.
Carbure de silicium lié avec du sialon.(Si3Al3O3N5).
Parfois : graphite à haute conductivité thermique[61].
37
29
23
Creuset Circulations de matières en fusion.
Pression.
Carbone pur haute densité. 10[62]

Après sa mise à feu, un haut fourneau moderne peut fonctionner sans interruption pendant 15 à 20 ans[63] : les réfractaires sont donc soigneusement choisis. Outre la qualité du matériau, le montage doit prendre en compte les dilatations[61]. Le creuset est souvent constitué de blocs de carbone de plusieurs tonnes, assemblés sans mortier ni jeux supérieurs à quelques dixièmes de millimètres. Lorsque celui-ci est usé, il faut vidanger complètement l'appareil pour reconstruire, du bas vers le haut, le revêtement réfractaire[58].

Refroidissement[modifier | modifier le code]

Système de refroidissement du haut fourneau 3 de l'usine Henrich à Hattingen.

L'appareil d'un haut fourneau produisant quotidiennement 6 000 tonnes de fonte peut être considéré comme un four de fusion d’environ un gigawatt[64],[note 20]. De tels échanges thermiques imposent un refroidissement énergique pour éviter une destruction rapide du blindage de l'appareil. Toute défaillance du refroidissement pouvant s'avérer catastrophique[55], celui-ci est garanti contre les pannes de façon multiple. La conception d'un circuit moderne s’apparente à celui d'une centrale nucléaire, le circuit refroidissant l'appareil étant en boucle fermée pour pourvoir détecter toute fuite ou pollution de l'eau[S 4],[Ta 3].

Malgré la présence d'un refroidissement puissant, le rendement thermique d'un haut fourneau est élevé, supérieur à 70%[T 10],[note 21]. Paradoxalement, il s'améliore lorsque l'appareil est intensément refroidi. En effet, le refroidissement permet l'apparition d'un garni interne, à la fois protection vis-à-vis de l'usure[T 1] et isolant thermique. Ce rôle n'est correctement assuré que si son adhérence et son épaisseur sont maîtrisées, de manière à ne pas perturber l'écoulement des matières[59],[61].

Plusieurs technologies coexistent pour le refroidissement de l'appareil[67] :

  • le ruissellement d'eau sur le blindage. L'utilisation de grandes quantités d'eau[note 22] évite la formation de vapeur. Ce refroidissement est simple et sans circuit secondaire, mais limité à des puissances moyennes (Pmoy= 5 à 15 kW/m²);
  • les chemises de refroidissement, qui canalisent l'eau contre la face externe du blindage. Ce système est réservé aux puissances moyennes (Pmoy= 5 à 15 kW/m²), comme celles rencontrées au niveau du creuset ;
  • le refroidissement par boîtes pénétrant perpendiculairement au travers du blindage. Plusieurs types de boîtes existent (cuivre ou acier, circulation forcée ou gravitaire, etc.). Cette technologie peut aboutir à des montages complexes mais s'adapte à toutes les zones du haut fourneau (Pmoy= 10 à 30 kW/m²), excepté le creuset, en variant la densité de boites. Elle est de plus d'un entretien facile ;
  • les refroidisseurs en plaque, ou staves, tapissant la face interne du blindage. Construits sur mesure, en fonte ou en cuivre avec inserts en réfractaire, ils sont compacts et efficaces (Pmoy= 20 à 30 kW/m²), mais leur remplacement impose l'arrêt du haut fourneau.

Lorsque le fonctionnement du haut fourneau est perturbé (instabilités dans l'écoulement des gaz ou des matières, changement de régime de fonctionnement, etc.), les pertes thermiques par le gueulard et la cuve augmentent. Le système de refroidissement peut devoir évacuer localement 300, voire 500 kW/m², soit 15 fois la puissance moyenne. Ce sont ces pics qui dimensionnent les circuits[61].

Vent[modifier | modifier le code]

Soufflantes à vent froid[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Machine soufflante.

L'injection forcée de l'air de combustion du haut fourneau, le « vent », est une caractéristique essentielle du haut fourneau. Sa traduction anglaise, blast furnace, restreint même le procédé à ce point. L'obtention des températures nécessaires à la fusion du métal n'est en effet possible qu'avec un vent puissant, inaccessible à la force musculaire ; les soufflets actionnés par roues à aubes sont indissociables de l'apparition du haut fourneau. Cette combinaison est abandonnée quand la taille croissante des hauts fourneaux (donc les pertes de charge) et le réchauffage du vent (qui implique à la fois de passer au travers des fours à vent chaud et d'injecter un vent qui se dilate) nécessitent des puissances croissantes : la force hydraulique est remplacée par les machines à vapeur dès 1776[69], rapidement adaptées aux gaz sidérurgiques (gaz de haut fourneau et gaz de cokerie)[L 7]. Les pistons en fonte remplacent de même les soufflets à cette époque[70]. Enfin, au début du XXe siècle, les pistons sont progressivement abandonnés au profit de compresseurs centrifuges ou turbocompresseurs[71].

C'est aussi au début du XXe siècle, avec l'invention des procédés de liquéfaction de l'air, qu'est essayée l'injection d'oxygène dans le vent froid. Le procédé se généralise au cours des années 1960, dopant à la fois la productivité des hauts fourneaux et l'injection de combustible par les tuyères[66].

Pour pouvoir traverser la charge et travailler à haute pression, le vent est comprimé entre 2 et 4,5 bar[Ta 4]. Le débit et la teneur en oxygène du vent froid étant faciles et rapides à modifier, on peut agir par ce moyen sur la marche du haut fourneau.

Cowpers[modifier | modifier le code]

Fonctionnement d'une batterie de 3 cowpers.

Un cowper moderne consiste en cylindre vertical en acier de 6 à 9 m de diamètre et s'élevant à 20 à 35 m[S 5]. Cette enceinte est remplie de briques réfractaires dont la nature dépend de leur rôle : on a des briques isolantes qui protègent la face interne du blindage du cowper, et des briques stockant et restituant la chaleur. Ces dernières servent à la construction du puits de combustion, où se déploie la flamme, et du rûchage, un empilement de briques perforées qui absorbe la chaleur des fumées. Le puits est souvent intégré dans le cylindre où il occupe environ un tiers de la section du four[Ta 5]. Les plus gros cowpers[note 23] sont dotés de puits externes qui permettent de mieux isoler la zone de combustion de celle d’accumulation/restitution de chaleur.

La chauffe étant plus lente que le refroidissement, chaque haut fourneau est doté de trois, parfois quatre, cowpers passant alternativement dans chaque phase. En fonctionnement continu, un cowper restitue sa chaleur pendant environ 30 min, avant que le vent soit orienté vers le cowper qui vient de finir une réchauffe de 50 min (durée à laquelle il faut ajouter les phases d'inertage et de mise en pression, qui durent 10 min)[Ta 6].

Un cowper moderne peut réchauffer environ 1,4 tonne de vent à 1 200 °C, par tonne de fonte[Ta 4]. Lorsqu’il restitue sa chaleur, c'est donc, pour un haut fourneau produisant 6 000 t de fonte par jour, un four d'une puissance d'environ 100 MW. La chauffe est effectuée par combustion d'une partie du gaz produit par le haut fourneau, qui doit être mélangé avec un gaz riche pour atteindre les températures souhaitées.

Circulaire à vent chaud et tuyères[modifier | modifier le code]

Circulaire à vent chaud et tuyères d'un haut fourneau à Liège.

Le vent chaud (900 à 1 300 °C suivant les caractéristiques du haut fourneau[note 12]) est amené des cowpers par une conduite revêtue de réfractaire, puis est distribué aux tuyères par une conduite en forme de tore, la circulaire. À la sortie des tuyères, le vent qui atteint 200 m/s[SF 20], enflamme le coke, ce qui fait monter la température à 2 0002 300 °C[50].

Agents réducteurs injectés aux tuyères[D 3]
Produits Maximum théorique
(kg/t de fonte)
Équivalence
coke
Plastiques 70 0,75
Fioul lourd 65 1,2
Fioul / O2 130
Gaz de cokerie 100 0,98
Charbon 150 0,85 - 0,95
Charbon / O2 270

La combustion du coke permet à la fois la production du gaz réducteur (le CO) et l'atteinte des températures nécessaires au procédé. Pour diminuer la consommation de coke, on utilise dans de nombreuses usines des combustibles de substitution, qui, injectés dans le vent à l'extrémité des tuyères, brûlent en procurant les mêmes effets chimiques et thermiques. Liquides ou finement broyés, les combustibles complémentaires possibles sont nombreux : farine animale, fioul lourd, déchets en matière plastique, gaz naturel ou de cokerie, ligniteetc. Mais le produit le plus performant reste cependant le charbon finement broyé, dont l'injection combinée avec un enrichissement du vent à l'oxygène, permet de remplacer jusqu'à la moitié des 480 kg de coke nécessaire à la fabrication d'une tonne de fonte[D 3].

Contrairement aux conduites à vent chaud rectiligne et circulaire, les tuyères ne sont pas revêtues d'un réfractaire isolant afin de limiter leur encombrement. Il s'agit de pièces en cuivre, intensément refroidies à l'eau. Elles sont facilement remplaçables car soumises à la fois aux hautes températures dues à la combustion du coke et des combustibles injectés, ainsi que l'usure, car elles peuvent saillir jusqu'à 50 cm à l'intérieur du four[SF 20].

Épuration du gaz[modifier | modifier le code]

Épuration sèche[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Pot à poussière et Cyclone (séparation).
Haut fourneau d'Uckange : on distingue la conduite de gaz descendant vers le cyclone, puis allant vers l'épuration secondaire (à dr.). La pente de la conduite empêche les dépôts de poussière.

Le gaz collecté au gueulard contient 5 à 10 g/Nm³ de poussières arrachées à la charge. Amené au pied du haut fourneau par de grosses conduites, le gaz subit une première étape d'épuration dans des séparateurs statiques. En effet, la pression, la température et la teneur en poussières du gaz pouvant fluctuer très rapidement, des technologies simples et robustes sont nécessaires : les pots à poussière et les cyclones sont utilisés. Ces derniers peuvent retirer jusqu'à 85% des poussières[73].

Les équipements sont directement connectés au gueulard. Ils donc protégés des surpressions catastrophiques (généralement dues à des instabilités qui, en surchauffant le gaz, le dilatent) par les bleeders, des soupapes de sécurité situées au plus haut du haut fourneau[SF 21].

Épuration humide ou secondaire[modifier | modifier le code]

Le gaz semi-épuré est ensuite traité dans l'épuration secondaire qui cumule 3 rôles[SF 22] :

  • nettoyer le gaz jusqu'à ce qu'il contienne moins de 10 mg/Nm³ de poussière, de manière à ce que sa combustion n'encrasse pas les appareils (notamment les cowpers) qui l'utilisent ;
  • réguler la pression au gueulard (de 0,25 à 2,5 bar[D 4]), en ouvrant plus ou moins un obturateur de régulation (tube de Venturi réglable, vanne ou soupape) ;
  • refroidir le gaz, surtout en cas de montée inopinée de sa température.

Ces trois fonctions peuvent être réalisées simultanément dans un laveur humide, dispositif pulvérisant de l'eau au moment où le gaz est décomprimé. Cette technologie s'est généralisée avec les hauts fourneaux travaillant à haute pression de gueulard[SF 23].

On équipe aussi, depuis peu, les gros hauts fourneaux d'un turbo-alternateur qui peut produire jusqu'à 15 MW d'électricité en récupérant l'énergie de la décompression des gaz[D 4]. Dans ce cas, l'épuration par un laveur humide est plus difficile car le procédé ne peut plus profiter de la décompression du gaz. De plus, comme il est intéressant de conserver le gaz chaud pour profiter de son plus grand volume, les épurations secondaires sèches réapparaissent depuis les années 2000, notamment en Asie[73].

Coulée de la fonte et du laitier[modifier | modifier le code]

Halle de coulée[modifier | modifier le code]

Halle de coulée du haut fourneau 4, dans le parc paysager de Duisbourg nord : au premier plan, une rigole, et derrière, à gauche et à droite du trou de coulée, la boucheuse et la foreuse.

Le fer et sa gangue, en fondant au niveau des tuyères, s'écoulent dans le creuset. Ces liquides percolent au travers des morceaux de coke imbrûlés qui remplissent le creuset. Lorsque le niveau des liquides monte, une machine, la « foreuse », perce le creuset à sa base pour le vidanger. En coulant, les matières en fusion érodent rapidement le trou de coulée. On le colmate alors avec une masse argileuse injectée par la « boucheuse », une machine dont le fonctionnement s'apparente à celui d'une seringue. Un haut fourneau moderne produit entre 8 et 14 coulées par jour, chacune durant de 80 à 180 minutes[74].

La boucheuse et la foreuse sont des machines puissantes, précises et critiques. La foreuse doit en effet repercer le trou, dans le bouchon d'argile créé par le bouchage précédant, plus vite que la mèche ne fonde! La boucheuse doit, quant à elle, pourvoir colmater le trou de coulée en pénétrant, si nécessaire, dans le jet de matière en fusion : c'est un organe de sécurité qui doit pouvoir interrompre la coulée à tout moment[74].

Les matières en fusion coulent dans la rigole principale. C'est dans celle-ci, qui peut mesurer de 8 à 14 m et qui contient 30 à 60 t de mélange fonte-laitier, que le laitier, trois fois moins dense que la fonte, se sépare progressivement de la fonte pour flotter à sa surface[Ta 7],[note 24]. La rigole principale se finit par un siphon inversé. Celui-ci stoppe le laitier, qui se dirige alors vers des rigoles superficielles. La fonte qui franchi le siphon est versée dans des wagons-torpilles, qui l'emmènent vers l'aciérie ou la fonderie[74].

Au-delà d'une production quotidienne de 6 000 tonnes de fonte, il est nécessaire de disposer de plusieurs trous de coulées. Les plus gros hauts fourneaux sont dotés de 4 trous de coulées, qui se relaient pour extraire la fonte du creuset[74]. L'entretien des machines et des rigoles, ainsi que l'analyse et l'aiguillage des liquides en fusion font des halles de coulée des installations complexes. Les contraintes mécaniques et thermiques liées au passage régulier de fluides chauds amènent généralement à des conceptions de rigoles et de dalles articulées[74]. D'importants systèmes de dépoussiérage (typiquement 700 000 Nm³/h[D 5]) sont également nécessaires[S 6].

Traitement du laitier[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Laitier (métallurgie).

Pour une marche avec de minerais riches, on produit environ 300kg de laitier par tonne de fonte, soit le même volume étant donné leur densités respectives[56]. Le laitier en fusion est soit valorisé sur place, soit emporté dans des wagons spéciaux. Il est valorisé essentiellement de deux manières[D 6] :

  • vitrifié par mélange brutal avec de l'eau (75 % du laitier produit en 2010). Le laitier ressemble alors à un sable humide qui est envoyé aux cimenteries où il peut remplacer une partie du clinker ;
  • cristallisé en le coulant dans une fosse où il refroidit lentement (23% en 2010). Le produit obtenu est une roche poreuse mais résistante, généralement utilisée comme remblais.

Le laitier liquide contient entre 1 et 2 % de soufre, fixé par le calcium. Son traitement, surtout lorsqu'il est refroidi à l'eau, provoque des émissions soufrées[D 7].

Processus de fonctionnement[modifier | modifier le code]

Flux des matières, des gaz et des liquides dans l'appareil d'un haut fourneau.
Les couches alternées de coke et de minerai descendent, et s'échauffent en commençant par le centre. Le coke (noir) conserve sa porosité dans la zone de frittage (rouge), concentrant les gaz (jaune) au centre de la cuve, puis les diffusant. Dans le creuset, les liquides percolent à travers le coke (points noirs).

Principes généraux[modifier | modifier le code]

L'appareil d'un 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. Son principe consiste essentiellement à créer du monoxyde de carbone, dont l'affinité pour l'oxygène du minerai est plus forte que l'affinité entre oxygène et fer, pour désoxyder le minerai. De nombreux échanges thermiques et chimiques, essentiellement entre gaz et solides dans la cuve, auxquels s'ajoutent des liquides dans les étalages et le creuset, interviennent pour réduire et carburer le fer.

Les nombreuses réactions chimiques combinées aux changements d'état des matières compliquent notablement la compréhension du fonctionnement idéal d'un haut fourneau. Les températures, les pressions et les mouvements de matières interdisent encore, en 2013, toute mesure au cœur de l'appareil : il est extrêmement difficile de comprendre et d'anticiper les instabilités thermiques ou mécaniques, dont certaines peuvent avoir des conséquences catastrophiques. Ce n'est, par exemple, que dans les années 1970, grâce à des trempes de hauts fourneaux complets réalisées au Japon, qu'on a découvert la forme en cloche des isothermes[75], invalidé la théorie de l'« homme mort » (un tas conique de coke et de fer solidifié reposant sur la sole du creuset)[76], constaté l'ampleur de certaines instabilités, prouvé l'importance d'une alimentation du coke et du minerai en strates distinctes[75], …

Une condition nécessaire au bon fonctionnement est de garantir une bonne perméabilité des matières. Le coke y joue un rôle essentiel car il conserve ses propriétés mécaniques jusqu'à 1 500 °C alors que le minerai fritte dès 900 °C[D 3]. Les isothermes, en forme de cloche, traversent les strates de matières en créant des persiennes au niveau des couches de coke, qui concentrent les gaz au centre de la cuve avant de les diffuser dans la charge[77]. Les morceaux de coke qui n'ont pas été brûlés remplissent la partie basse de l'appareil, à l'exception des cavités qui se forment en face de chaque tuyère. Ils portent donc le poids des matières empilées au-dessus d'eux, en laissant passer les liquides et les gaz.

Le fonctionnement en continu, avec un écoulement des matières de type piston, impose de devoir évacuer tous les éléments y entrant, sous peine d'engorgement. Ceci est vrai pour le laitier, mais aussi pour certains éléments, comme le zinc ou les métaux alcalins[SF 24].

Production des gaz réducteurs[modifier | modifier le code]

Pour réduire le minerai de fer, il faut d'abord fabriquer les gaz réducteurs nécessaires. Ceci se produit dans la partie inférieure du haut fourneau, par la combustion du carbone contenu dans le coke, avec l'oxygène du vent :            C + O2 → CO2           produisant 394,4 kJ/mol[78]

Cette réaction étant très exothermique, c'est-à-dire qu'elle libère de la chaleur, la température au niveau des tuyères d'injection du vent chaud s'élève à 1 800 à 2 000 °C, voire 2 250 °C si le vent est enrichi en oxygène[50]. Toutefois, une réaction endothermique suit immédiatement, qui va abaisser la température entre 1 600 et 1 800 °C :            CO2 + C → 2 CO           consommant 172,45 kJ/mol

Cette dernière réaction n'est pas totale, il s'agit de l'équilibre de Boudouard. Celui-ci assure la régénération du CO consommé par la réduction dans tout le bas de l'appareil[79] :            CO2 + C \begin{smallmatrix}\rightleftharpoons\end{smallmatrix} 2 CO          tant que T > 1 000 °C

Tant que le dioxyde de carbone CO2 se maintient dans le domaine de températures supérieures à 1 000 °C, il est constamment régénéré par la réaction de Boudouard en monoxyde de carbone CO, qui reste ainsi à la disposition du processus de réduction.

Un autre gaz réducteur, le dihydrogène H2, est simultanément produit par la décomposition thermique de la vapeur d'eau, naturellement ou artificiellement présente dans le vent. Quoique d'importance secondaire, ce gaz est particulièrement efficace vers 900 °C et au-delà[SU 3] : un contenu de seulement 10 % en hydrogène dans le gaz de réaction triple la vitesse de réduction[note 25]. Cette production est, à l'instar de celle du monoxyde de carbone, très endothermique :            H2O + C → H2 + CO           consommant 131,4 kJ/mol[80]

Réduction des oxydes de fer[modifier | modifier le code]

Les oxydes de fer se réduisent suivant la séquence suivante :             Fe2O3    Fe3O4     FeO[note 26]→ Fe
          hématitemagnétite  wustite  fer

Chaque transition d'un oxyde au suivant est due à plusieurs réactions simultanées de réduction :

  • la réduction indirecte, par le monoxyde de carbone CO. Cette réaction ôte environ 65% de l'oxygène combiné avec le fer[81],[SU 4] ;
  • la réduction directe, par le carbone du coke. En participant pour moitié à la transformation de la wustite FeO en fer, cette réaction ôte 30% de l'oxygène[81],[SU 4]. Cependant, ce mode de réduction de la wustite étant très endothermique alors que celle par le CO est légèrement exothermique[note 27], il est essentiel de la limiter au maximum[48] ;
  • la réduction par le dihydrogène H2. Cette réaction ne participe que pour 5% à la réduction mais l'hydrogène a d'autres rôles, en particulier de favoriser les deux premières réactions[note 25],[81].
Principales réactions de réduction (en petits caractères figurent les réactions d'importance négligeable)
Blast furnaces temperatures.svg
Températures[note 28],[SU 5] Réduction indirecte[SU 3] Réduction directe[SU 4] Réduction par l'hydrogène [81]
100 °C < T < 500 °C Dessiccation
500 °C < T < 600 °C
600 °C < T < 900 °C
3 Fe2O3 + CO → 2 Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO → 3 FeO + CO2
3 Fe2O3 + C → 2 Fe3O4 + CO
Fe3O4 + C → 3 FeO + CO
3 Fe2O3 + H2 → 2 Fe3O4 + H2O
Fe3O4 + H2 → 3 FeO + H2O
900 °C < T < 1 100 °C
1 100 °C < T < 1 150 °C
FeO + CO → 2 Fe + CO2 FeO + C → Fe + CO FeO + H2 → Fe + H2O
1 200 °C < T < 1 600 °C Carburation et fusion

Autres réactions chimiques[modifier | modifier le code]

La gangue et les impuretés du minerai subissent également plusieurs réactions chimiques au cours de leur descente vers le creuset ; toutes sont endothermiques. Les réactions de décarbonatation de la sidérite (FeCO3) et de la castine (CaCO3) interviennent avant les réactions de réduction du fer[48] :

          FeCO3 → FeO + CO2             pour 500 °C < T < 700 °C
          CaCO3 → CaO + CO2            pour 700 °C < T < 900 °C

Un haut fourneau ne réduit jusqu'au métal qu'environ la moitié des oxydes de manganèse MnO2 et MnO introduits dans le haut fourneau avec les minerais de fer. Alors que la réduction du MnO2 est rapidement faite par le CO, la réduction du MnO est directe[note 27],[48] :           MnO + C → Mn + CO             pour T > 1 000 °C

De même, la silice (SiO2) est partiellement réduite par une réduction directe[48] :           SiO2 + 2 C → Si + 2 CO         pour T > 1 500 °C[79]

Tous les oxydes de cuivre, de phosphore et de nickel chargés sont complètement réduits jusqu'au métal. Le chrome et le vanadium se comportent comme le manganèse, le titane comme le silicium. Les oxydes de calcium (CaO), aluminium (Al2O3) et magnésium (Al2O3) ne sont pas réductibles et se retrouvent intégralement dans le laitier. Le zinc, les alcalins et le soufre sont des cas à part[48] :

  • facile à réduire, le zinc descend avec la charge, se vaporise à 907 °C. Il est alors remonté par les gaz vers des zones plus froides, où sa solidification, qui se fait à 420 °C, devient possible. Il redescend alors avec les charges pour un nouveau cycle… sans avoir été évacué de l'appareil, qui s'en sature progressivement[G 6]. De même, les alcalins, une fois combinés avec les cyanures, forment un composé qui empoisonne progressivement l'appareil[SF 24] ;
  • la très forte affinité du soufre avec le fer métallique, plus forte que celle entre carbone et fer, amène à sa combinaison immédiate avec premiers cristaux de fer métalliques qui apparaissent. Le sulfure de fer (FeS) créé en surface du minerai perturbe alors la poursuite de la réduction du fer jusqu'au cœur de la matière[83]. Le soufre, qui dégrade considérablement les propriétés du fer[SF 11],[L 1], est enfin partiellement retiré du métal en fusion par une réaction avec le laitier, qui se déroule dans le creuset :

          S + CaO + C → CaS + CO         pour T ≈ 1 550 °C[84]

Quant à l'azote du vent, il réagit peu, et de manière réversible[L 8]. Il sert donc essentiellement de ballast thermique[85].

Comportement de la charge pendant la traversée du haut fourneau[modifier | modifier le code]

L'évasement de la cuve facile la descente des charges, et accompagne leur dilatation. Le rétrécissement aux étalages accompagne le frittage puis la fusion du minerai[48]. Le coke, qui ne fritte ni ne fond, est fondamental pour la perméabilité des gaz et le soutien de la charge[D 3]. Son rôle est en fait multiple : pour un haut fourneau moderne consommant, pour chaque tonne de fonte, 294 kg de coke et 180 kg de charbon aux tuyères, on a [48] :

  • 100% du charbon et 44% du coke est brûlé au tuyères ;
  • 36% du coke est consommé pour la régénération du CO ;
  • 18% du coke sert à la carburation de la fonte ;
  • 2% sert à la réduction des oxydes non ferreux et à la désulfuration.
Principaux phénomènes physiques et chimiques
Blast furnaces temperatures.svg
Températures[note 28],[SU 5] Phénomènes
Minerai Coke
100 °C < T < 260 °C Dessiccation
500 °C < T < 900 °C Réduction (Fe2O3 → Fe3O4 → FeO)
900 °C < T < 1 200 °C Réduction (FeO → Fe)
Carburation et frittage
Régénération du CO
1 200 °C < T < 1 600 °C Fusion Combustion
T ≈ 2 100 °C Cavité face à chaque tuyère
1 600 °C Carburation et désulfuration Dissolution

Conduite du haut fourneau[modifier | modifier le code]

Le haut fourneau est un réacteur très sensible à toute anomalie. De plus, la taille de l'outil rend très coûteuse, voire dangereuse, toute perte thermique ou dégradation de la mise au mille. La compréhension des phénomènes physiques et chimiques se déroulant à l'intérieur de l'appareil est donc essentielle[86].

Cependant, les conditions extrêmes qui règnent dans un haut fourneau ne permettent pas d'accéder directement aux matières qui y réagissent. On multiplie alors les mesures en périphérie de la charge, c'est-à-dire au gueulard, sur les parois de l'appareil et à la coulée[86]. L'objectif est d'en déduire la pression et la vitesse des gaz montant à travers les matières, mais aussi les mouvements des solides et des liquides. Les paramètres importants, comme la hauteur de la surface d'alimentation ou les températures en parois, sont mesurés de plusieurs manières, de façon à se prémunir de toute panne[S 7],[T 11].

Instrumentation de l'appareil hors mesures systématiques
(c'est-à-dire température-pression du revêtement réfractaire du blindage, et débit-température évaluant l'échauffement de l'eau de refroidissement)[SU 6]
Haut-fourneau Cuve.svg
Zone Grandeurs à mesurer Technologies utilisées
Gueulard Hauteur de la charge
Morphologie de la surface des matières
Distribution radiale de la température et/ou composition du gaz sortant de la charge
Sonde mécanique ou radar
Cartographie radar

Poutre radiale de mesure

Haut de cuve Distribution radiale de la température et/ou composition du gaz et de la charge Sonde mobile pénétrant horizontalement dans la charge
Bas de cuve
aux étalages
Écoulement des matières
Usure/garnissage des réfractaires
Sondes radioactives (rares)[87]
Sondes à ultrasons
Tuyères Nature et débits du vent et des additifs injectés aux tuyères
Chaleur évacuée par l’eau de refroidissement
Mesure débit/température
Creuset Composition et température de la fonte et du laitier Mesure température et prélèvement de fonte

Des recherches sont menées pour évaluer d'autres méthodes de mesure. Par exemple, on peut exploiter le constat que la présence de matières en fusion dans le creuset génère une faible tension électrique dans le blindage[88]. Les ultrasons permettent des mesures de températures[89] ou de la morphologie de la surface des matières[90]etc.

Cependant, « le traitement d'une telle quantité d'informations dépasse la capacité de calcul de n'importe quel être humain[86] ». En effet, dès la fin des années 1990, les systèmes d'aide à la conduite recensaient 150 phénomènes physiques et chimiques principaux, qui étaient constamment évalués par près de 1 000 mesures[86],[note 18]. Le fait que certains phénomènes sont immédiats, alors que d'autres sont très lents à se manifester, a amené au développement de systèmes experts, de réseaux de neurones, d'études d'ergonomie cognitive[91]etc.

Marches non stabilisées[modifier | modifier le code]

Phases transitoires[modifier | modifier le code]

Vue exceptionnelle du niveau des charges (quelques mètres sous la normale) pendant un arrêt d'entretien du haut fourneau P6 de l'usine de Florange. Le haut de la cuve est ouvert et quelques gaz s'enflamment spontanément au contact de l'air.

Lors de la mise à feu d'un haut fourneau, il faut sécher puis chauffer l'appareil suffisamment lentement pour que les réfractaires ne soient pas abîmés[S 8], mais aussi atteindre rapidement une température suffisante pour que les produits chargés puissent être évacuées sous forme liquide. Pour cela, on charge de haut fourneau d'une grande quantité de combustible (souvent du bois), on limite les besoins thermiques en y chargeant des laitiers au lieu de minerai et on active progressivement la combustion en jouant sur le débit de vent[SU 7]. Il reste que le démarrage d'un haut fourneau, qui dure quelques semaines et débute une campagne de production interrompue d'une quinzaine d'années, reste une opération délicate car à ces contraintes s'ajoutent les inévitables dysfonctionnements liés au démarrage d'une installation neuve et complexe, dont le comportement et la conception sont toujours différents[92],[S 8]

Les inévitables arrêts d'entretien ou liés à des incidents ne peuvent excéder quelques jours sous peine de « geler » l'appareil. Ceux-ci doivent être impérativement anticipés : on charge une grande quantité de coke et on coupe le vent quelques heures après, au moment où ce coke arrive face aux tuyères. Ainsi, au redémarrage, la combustion du coke supplémentaire permettra de reconstituer la chaleur perdue pendant l'arrêt.

Un arrêt plus long, ou définitif, impose de vider l'appareil au maximum. Un trou de coulée spécifique, situé au point le plus bas du creuset, permet de drainer toutes les matières en fusion. Le niveau des matières non fondues, essentiellement du coke, descend jusqu'aux tuyères. L'opération est risquée car les zones basses et chaudes, qui ne sont plus couvertes, doivent être refroidies par un arrosage d'eau… dont la dissociation forme un gaz explosif car riche en hydrogène[SU 7],[S 8].

Incidents[modifier | modifier le code]

Un incident redouté, mais rare, est le « blocage » du haut fourneau. S'il se produit en partie haute de l'appareil, il correspond à la formation d'une voute sous laquelle les matières continuent de descendre vers le creuset. Un vide se forme sous la voute, jusqu'à ce que celle-ci s'effondre brutalement[S 9],[Ta 8]. Un blocage en partie basse correspond à une impossibilité d'évacuer les matières en fusion. L'origine la plus fréquente est un haut fourneau froid à cause d'entrées d'eau ou de déficit de chaleur apportée par le vent ou le coke… sachant qu'un excès de chaleur amène au même résultat[note 12]. Cet incident, rare et redouté, signifie un arrêt, peut-être définitif, de l'usine[SF 25] :

« Si l'ingénieur ne se hâte, il va être trop tard, et le fourneau, rempli d'un immense magma, d'un loup, n'aura plus qu'à s'arrêter ; il faudra même le démolir en grande partie et faire des travaux longs et onéreux pour en retirer la masse ferreuse, résistante qui l'encombre du haut en bas et dont une grande partie ne cède volontiers qu'à la force de la poudre…
Aussi, un ingénieur qui fait un loup est-il dans une situation plus misérable peut-être que le marin qui perd son navire ; il trouve bien rarement des excuses auprès de ses chefs. Mais ici encore se montrent dans tout leur éclat la puissance du savoir, l'initiative, la vigueur morale et physique, l'énergie de l'homme, comparable, dans une arène moins glorieuse, à celle du général en chef dont l'armée est en péril, ou du navigateur dont le vaisseau est menacé de se perdre ; car les expédients les plus imprévus et les moins faciles à prévoir, peuvent seuls parfois éviter le danger[93],[SF 26]. »

— J. Garnier, Le fer

Tout aussi dangereuse, rare et coûteuse, une percée du blindage par la fonte en fusion est, « après le blocage du creuset […], l'événement le plus redouté, le plus détesté des fondeurs et du haut fourniste en général[94],[SF 27] ». L'usure par l'écoulement des matières peut également amener à des percées dans la cuve, mais celles-ci sont généralement précédées de fuites du système de refroidissement, détectables par l'instrumentation des circuits de refroidissement ainsi que par l'élévation de la teneur en hydrogène dans le gaz produit par le haut fourneau[55],[S 4],[Ta 3]. Enfin, le rôle des gaz circulant dans l'appareil n'est pas négligeable : ceux-ci sont, contrairement aux matières en fusion, impossibles à figer et peuvent générer une abrasion par sablage[SF 28].

À l'inverse, il peut arriver que la couche protégeant les réfractaires et obtenue grâce au refroidissement intense de l'appareil, s'épaississe excessivement[SU 8]. Une saturation en zinc ou en alcalins favorise l'épaississement local de cette couche[SF 24]. Elle perturbe alors significativement les écoulements dans l'appareil. De plus, le « garni » qui se forme peut peser plusieurs centaines de tonnes et s'avérer instable, surtout lorsqu'il se situe dans les parties hautes de l'appareil. Son décrochage brutal bouleverse le fonctionnement du haut fourneau et peut entraîner un blocage[SF 29],[S 10],[Ta 9].

Tous ces dérangements, s'ils ne sont pas maîtrisés à temps, peuvent se succéder, voire se combiner. Les surpressions provoquées par des remontées de gaz depuis le creuset, les explosions de vapeur dues à l'arrivée d'eau dans l'appareil (souvent issue du système de refroidissement), les poches de gaz ou de poussières qui s'enflamment brutalement, etc. sont des événements spectaculaires : l'ouverture des soupapes de sécurité, les bleeders, est alors assimilable à l'éruption « d'un volcan […] entendu à des km à la ronde ; pensez à 4 ou 5 avions à réaction lançant à fond leurs moteurs : c'est le bruit fait par l'échappement du gaz[SF 30] ». Quand les soupapes ne peuvent plus évacuer le gaz, les dégâts se propagent par les gazoducs de l'usine… L'explosion de l'appareil lui-même, devenue quand même exceptionnelle à la fin du XXe siècle, peut faire de nombreuses victimes parmi le personnel[SF 31],[55].

Évolutions récentes ou à venir[modifier | modifier le code]

Améliorations récentes[modifier | modifier le code]

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[95].
    • 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[note 29].
    • 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[96] ».
  • 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[97].
    • Récupération de chaleur, notamment des fumées des fours de réchauffage du vent (cowpers)[97].
    • Récupération de l'énergie de détente pneumatique des gaz captés au gueulard par un ensemble turbo-alternateur[97].
    • 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[97].

Perspectives[modifier | modifier le code]

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[98].

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 [99].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Le mot est ici écrit sans trait d'union. En effet, « bien que l'Académie française ait admis l'usage du trait d'union entre « haut » et « fourneau », l'entrée en est, ici, volontairement dépourvue, puisque cette orthographe a été la plus courante pendant de très nombreuses décennies au XXe siècle[SF 1] »[SF 2].
  2. Cet article se concentre sur l'acceptation commune du haut fourneau, outil de la sidérurgie lourde. Mais le principe du haut fourneau a été, et reste occasionnellement, adapté à la réduction et la fusion de beaucoup de métaux non ferreux. Ces hauts fourneaux non sidérurgiques se raréfient cependant, le four à arc électrique étant plus flexible et adapté aux faibles productions.
  3. Le liquidus d'une fonte à 6 % C est de l'ordre de 1 150 °C, et passe à 1 500 °C lorsqu'on approche la composition du fer pur.
  4. La fonte est affinée en la laissant chauffer à l'air pendant plusieurs jours pour donner de l'acier ou du fer ; ce « puddlage à l'air » est appelé chǎo (炒), ce qui signifie littéralement « saisir dans la poêle »[8]. La fonte blanche, cassante, est convertie en fonte malléable à partir du IIIe siècle[9].
  5. Si on ajoute, à un mélange ferreux, jusqu'à 6 % de phosphore, la température de fusion descend jusqu'à 950 °C. L'addition de phosphore disparaît avant le XIe siècle, lorsque l'amélioration des hauts fourneaux permet de s'en passer[9].
  6. D'après Donald Wagner, la fonte qui se propage en Chine dès le Ie siècle av. J.-C. aurait aussi put être élaborée directement au haut fourneau, plutôt qu'être systématiquement issue d'une loupe de fer refondue au cubilot. De tels hauts fourneaux auraient été directement inspirés de ceux utilisés pour l'obtention du cuivre[15].
  7. Littéralement le « four à morceau (de fer) ».
  8. Les hauts fourneaux du Sauerland ont évolué directement à partir du bas fourneau, sans passer par le stückofen, grâce à la présence de silice, et surtout d'oxyde de manganèse(II) et d'oxyde de potassium, dans le minerai.
  9. Dans son livre Metallum Martis, Dudd Dudley revendique avoir produit de la fonte au coke de bonne qualité dès 1622. Mais, faute d'autres sources, il n'est pas possible d'évaluer sa technique.
  10. Un autre point, que Darby ignore alors, est que l'extinction du coke, qu'il réalise à l'eau, lui retire une quantité importante du soufre[34].
  11. En 1908, Thomas Turner énumère quelques apports du vent chaud au comportement physique et chimique du haut fourneau[T 2] :

    « 1. Dans la partie basse du haut fourneau, le carbone n'est pas oxydé en CO2, mais seulement en CO. Brûler [une livre de lignite] dans le haut fourneau ne génère que 2 473 Btu alors que sa combustion complète, telle qu'elle se passe lorsqu'on chauffe le vent, génère 8 080 Btu […]
    2. L'utilisation d'air chaud accélère la fusion des matières à proximité des tuyères.
    3. Quand la température est suffisamment élevée, le carbone est brûlé directement en monoxyde de carbone et la chaleur est concentrée [aux tuyères]. Avec le vent froid, du dioxyde de carbone est produit près des tuyères, puis est décomposé en monoxyde plus haut dans le four, ce qui disperse la combustion.
    4. Puisque la combustion est plus locale et qu'il faut moins d'air [pour brûler moins de coke], le haut du four est plus froid et moins de chaleur est emportée par les fumées.
    5. Moins de coke implique moins de cendres à évacuer sous la forme de laitier, ce qui diminue la quantité de fondant nécessaire, et donc de combustible.
    6. Puisque moins de coke est nécessaire, il faut moins de temps pour le brûler. Cette quantité de coke est, à volume de four donné, avantageusement remplacée par du minerai, ce qui dope la productivité du four… »

  12. a, b et c Une température élevée aux tuyères entraîne, paradoxalement, une température plus basse au gueulard. On l'explique par le fait que les matières en fusion étant alors plus fluides, elles descendent plus vite au fond du creuset[T 2]… à condition que la composition chimique du laitier le prenne en compte! En effet, les hautes températures favorisent la réduction de la silice : le laitier qui s'appauvrit en silice peut devenir excessivement pâteux[SF 12], alors que la fonte, qui s'enrichit en silicium métallique, peut devenir incompatible avec l'usage voulu[46].
  13. Le vent chaud facilitant aussi la combustion au haut fourneau, il est devenu possible d'utiliser d'autres matières : l'invention de Neilson permet la valorisation du Blackband (de) et donc l'expansion de la sidérurgie écossaise, qui passe d'une production annuelle de 37 500 tonnes en 1830 à 200 000 tonnes en 1840. L'utilisation de vent chaud permet également l'utilisation d'anthracite aux États-Unis, où aucun charbon cokéfiable n'avait encore été découvert[T 3] (brevet de F. W. Gessenhainer en 1836).
  14. La modération de Neilson fut mal récompensée : il dut attendre 1843 pour toucher ses royalties, après un long procès au Tribunal Écossais d'Édimbourg[T 3].
  15. On peut encore voir des installations musées avec une alimentation avec de grosses bennes Staehler (usine sidérurgique d'Uckange) ou des petites sous monorail (usine sidérurgique de Völklingen). Une batterie de petits hauts fourneaux peut avoir une alimentation commune à tous les gueulards (Völklingen, Pont-à-Mousson,…).
  16. Historiquement, la récupération du gaz de gueulard se justifie par l'apparition simultanée de deux besoins en combustible : l'apparition des soufflantes qui remplacent les roues à aubes devenues incapables de pousser le vent à travers un four de plus en plus gros et haut ; la généralisation du vent chaud[L 7]. Avant cela, les gaz étaient évacués par une courte cheminée à la sortie de laquelle ils brûlaient librement[Bauerm 1].
  17. Une cloche combine en effet plusieurs inconvénients : la portée assurant l'étanchéité subit l'usure ou les garnis dus au passage de la matière, les circularités sont difficiles à garantir, toute fuite entraine des poussières abrasives qui aggravent le phénomène, etc.
  18. a, b et c Au début des années 2000, l'appareil d'un haut fourneau à boîtes d'un volume utile de 2 100 m³ est composé d'environ 6 500 tonnes de réfractaires (dont 1 700 tonnes de réfractaires en carbone pour le creuset[58]) et 1 000 tonnes de blindage. Le refroidissement comporte plus de 5 000 vannes reliées par 30 km de conduites. 700 instruments de mesures reliés par 60 km de câbles aident à la conduite du process[59].
  19. La philosophie de construction fait encore débat. Selon Danieli Corus, « dans les étalages, il a été démontré qu'avec une conduite moderne, les conditions thermiques fluctuent raisonnablement et que l'usure est dominée par les attaques chimiques. Celles-ci peuvent être contrôlée par un dimensionnement adéquat du refroidissement[61] ».
  20. Ce gigawatt correspond à 14 MBtu (14 756 MJ) par tonne de fonte. On peut l'avoir avec un minerai cru très riche[64] ou des agglomérés[D 2],[65]. Il s'agit de la chaleur nécessaire à la fusion et la réduction des matières, ainsi que l'échauffement des gaz. Cette chaleur est apportée par la combustion partielle du coke et par le vent chaud[64].
  21. Plus précisément, le rendement thermique de l'appareil dépasse 80% (92% pour un gros haut fourneau moderne[66]) si on estime que le coke chargé n'est brûlé que partiellement, le reste étant rejeté sous la forme d'un gaz combustible. Mais si on estime que tout le coke chargé est fatalement brûlé (dans et hors de l'appareil), le rendement n'atteint plus que 60%[64]. Pour comparaison, au début du XXe siècle, le rendement thermique des fours Martin-Siemens atteint 25%[T 10]. Les considérations thermiques sur les hauts fourneaux dépendent notablement de leur taille (moins de perte thermique sur les plus gros) et de la composition de la charge[61].
  22. Le refroidissement, par ruissellement et boîtes, d'un appareil dont le creuset mesure 8 m de diamètre consomme plus de 30 000 m³/h, soit la consommation d'une ville de 200 000 habitants[68]. Avec un refroidissement par circuit fermé (boîtes, staves ou chemises), on peut démontrer que la moitié suffit[61], mais il faut alors 2 circuits (le circuit fermé de l'appareil et le circuit ouvert des tours aéroréfrigérantes).
  23. Le diamètre d'un cowper est limité à 10 m par la tenue mécanique de la coupole supérieure[72]. Il s'agit en effet à la fois de la zone la plus chaude et de celle qui accumule tous les mouvements dus aux dilatations et aux compressions du four. Une autre limitation, thermique, apparait aux hautes températures avec la tenue de la paroi entre la base du puits, chaude, et la base du rûchage, froide.
  24. On trouve fréquemment des illustrations montrant un trou de coulée dédié au laitier, situé plus haut que le trou de coulée principal. Cette construction tend à disparaitre, la généralisation des minerais riches entraînant de trop faibles productions de laitier pour justifier le maintien de ce système.
  25. a et b Plus précisément, l'hydrogène favorise la réduction indirecte grâce aux réactions suivantes[81] :
    Fe3O4 + H2 → 3 FeO + H2O
    H2O + CO → H2 + CO2
    soit : Fe3O4 + CO → 3 FeO + CO2
    Ainsi que :
    FeO + H2 → Fe + H2O
    H2O + CO → H2 + CO2
    soit : FeO + CO → Fe + CO2
  26. La wustite est en réalité un composé non stœchiométrique dont le taux d'oxydation est variable. Les métallurgistes retiennent généralement la formule FeO1,0356[48].
  27. a et b La réduction directe du fer s'écrit donc, trivialement : FeO + C → Fe + CO. Mais « à l'état solide, on ne constate pratiquement pas de réaction en l'absence des gaz, même entre des poudres finement broyées de minerai de fer et de charbon. Autrement dit, il apparait certain que la réaction se fait par les gaz[82] ». Ce qui signifie que la réduction directe correspond très probablement à l'enchaînement des réactions suivantes[48] :
    FeO + CO → Fe + CO2      produisant 17,45 kJ/mol (réduction par le CO)
    CO2 + C → 2 CO                consommant 172,45 kJ/mol (réaction de Boudouard)
    soit : FeO + C → Fe + CO             consommant 155,15 kJ/mol, dont le bilan thermique est nettement moins favorable que celle par le CO (voir plus haut)
  28. a et b On trouve beaucoup de variantes pour les plages de températures. En effet, il faut tenir compte de la pression, qui varie du simple au triple selon les hauts fourneaux, des teneurs en silicium et en manganèse…
  29. L'augmentation de la pression va notamment ralentir les gaz réducteurs, ce qui donne plus de temps aux réactions chimiques pour se produire.

Références[modifier | modifier le code]

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  3. § Haut-fourneau… et synonymes
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  5. § Bas fourneau ; Bas Foyer
  6. § Bas fourneau à Orientation ; Bas Fourneau à
    Tirage Naturel ; Bas Fourneau Soufflé ; Bas Foyer
  7. Tome 1, p. 3838
  8. Tome 1, p. 957
  9. Tome 1, p. 2138, 2139, 2171 ; § Stückofen
  10. § Haut fourneau (Invention du, Débuts du, Évolution du)
  11. a et b § Soufre
  12. § Bloquage à chaud
  13. § Cowper
  14. § Vent chaud
  15. a et b § Cuve
  16. a et b Tome 1, p. 24
  17. § Silex
  18. Tome 1, p. 2130
  19. § Blindage
  20. a et b Tome 2, p. 610-611
  21. § Bleeder
  22. Tome 1, p. 2690
  23. Tome 1, p. 1626
  24. a, b et c § Zinc ; Alcalins
  25. § Blocage
  26. § Blocage de creuset
  27. § Percée de fonte
  28. § Percée de gaz
  29. § Garni
  30. § Explosion de haut fourneau
  31. § Explosion
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  11. p. 118-124
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Voir aussi[modifier | modifier le code]

Sur les autres projets Wikimedia :

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

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