Fabrication de l'acier

procédé, où l'acier est produit

L'acier s'élabore actuellement de deux manières :

Filières d'élaboration de l'acier

Métallurgie primaireModifier

Usine d'agglomérationModifier

Le minerai de fer possède des propriétés chimiques et physiques qui le rendent inexploitable en l'état par le haut fourneau. Il lui manque en particulier :

  • la résistance mécanique nécessaire pour supporter l'écrasement dû à l'empilage des matières dans le haut fourneau ;
  • la porosité permettant la circulation du vent des tuyères vers le gueulard ;
  • la composition chimique en oxydes, pour maîtriser le laitier.

Les minerais sont préparés par broyage et calibrage en grains qui s'agglomèrent entre eux. Le mélange obtenu est cuit sous une hotte à 1 300 °C. L’aggloméré obtenu est ensuite concassé et calibré puis chargé dans le haut fourneau avec du coke.

CokerieModifier

De façon simplifiée, le coke est du carbone presque pur doté d'une structure poreuse et résistante à l'écrasement. Il est utilisé comme un puissant réducteur. Il est obtenu à partir de la houille, après que celle-ci ait été libérée de ses composants indésirables. Pour cela on l'a fait cuire, à l'abri de l'air, dans les fours de la cokerie à 1 250 °C durant 17 heures. En brûlant dans le haut fourneau, le coke apporte la chaleur nécessaire à la fusion du minerai ainsi que le carbone nécessaire à sa réduction.

Haut fourneauModifier

On y extrait le fer de son minerai. Minerai et coke solides sont enfournés par le haut, le gueulard. L'air chaud (1 200 °C) insufflé à la base provoque la combustion du coke (carbone presque pur). Le monoxyde de carbone ainsi formé va réduire les oxydes de fer, c'est-à-dire leur prendre leur oxygène et, de ce fait, isoler le fer. Il se chargera cependant en carbone pendant son séjour dans le creuset et se transformera en fonte. La gangue est un produit secondaire du haut fourneau (c'est la part stérile du minerai de fer) ; elle est récupérée, à la sortie du haut fourneau, à l'état liquide, mêlée à d'autres oxydes. La densité moindre de ce résidu le fait flotter au-dessus de la fonte. Ce résidu est appelé laitier de haut fourneau et est principalement exploité pour la fabrication du ciment.

Convertisseur à l'oxygèneModifier

Cet outil assure la conversion de la fonte en acier.

La fonte en fusion est versée sur un lit de ferrailles. On brûle les éléments indésirables (carbone et résidus) contenus dans la fonte en insufflant de l'oxygène pur. Il s'y forme, là aussi, un résidu, le laitier d'aciérie, qui est séparé de l'acier au moment de la vidange du convertisseur. On obtient de l'acier liquide sauvage, qui est versé dans une poche. Il est appelé acier sauvage, car, à ce stade, s'il était coulé, il se solidifierait en provoquant de nombreuses projections dues au rejet des gaz dissous (essentiellement du monoxyde de carbone).

Métallurgie en pocheModifier

Le rôle de la métallurgie en poche consiste à mettre à nuance et à température l'acier liquide issu du convertisseur.


Mise à nuanceModifier

Elle comporte plusieurs étapes, toutes facultatives, et dont l'ordre peut changer :

  • le calmage de l'acier sauvage qui va consommer l'oxygène dissous dans l'acier. Pour cela, on jette dans l'acier liquide de l'aluminium (pour les produits plats) ou du silicium (cas des produits longs) qui, en s'oxydant, vont transformer l'oxygène dissous en oxydes ;
  • le dégazage : l'acier va passer par un passage sous vide destiné à parfaire la décarburation entamée au convertisseur (dans ce cas-ci, il est nécessaire de conserver, au préalable, un minimum d'oxygène dissous). A cette étape on peut retrouver les opérations de déshydrogénation et, parfois, de dénitruration (abaissement de la teneur en hydrogène et azote respectivement) ;
  • l'ajustement du laitier de poche, de manière qu'il ait la capacité d'absorber les impuretés comme les oxydes produits par le calmage ;
  • l'affinage qui va ôter les derniers éléments indésirables, comme le soufre (désulfuration) ;
  • l'ajout des éléments d'alliages.

Mise à températureModifier

La coulée continue demande typiquement des températures d'acier d'environ 30 °C au-dessus du liquidus de l'alliage. Les moyens de réchauffage sont, soit le four électrique à poches, soit un procédé chimique comme l'aluminothermie. Il est également possible de travailler tout le temps très chaud, pour ne refroidir à la bonne température qu'au dernier moment.

CouléeModifier

Coulée continueModifier

L'acier liquide est coulé, à environ 1 560 °C, dans une lingotière en cuivre de section carrée, rectangulaire ou ronde (selon le demi-produit fabriqué).

Au contact des parois de la lingotière, le métal se solidifie instantanément et commence à former une peau solide. L'acier est ensuite tiré vers le bas par un jeu de rouleaux et d'extracteurs et il achève de se solidifier, grâce essentiellement à des jets d'eau pariétaux.

À cause du refroidissement intense, le métal subit une histoire thermomécanique, lors de son parcours dans la machine de coulée continue. En fonction de cet historique (influencé notamment par la vitesse de coulée, la forme de la machine, l'intensité du refroidissement), la qualité du produit est plus ou moins bonne et le sidérurgiste pourra vendre plus ou moins cher le produit.

La coulée en lingotsModifier

La coulée peut être également faite en lingotière. Ce procédé, peu performant en termes de mise au mille permet cependant l'obtention d'alliages spécifiques, comme les aciers non calmés.

L’acier est coulé et solidifié dans des moules en fonte : les lingotières.

Une fois la solidification terminée, les lingots sont démoulés (le « strippage » (de l'anglais to strip qui signifie « retirer »).

Après un réchauffage à 1 200 °C, ils sont écrasés dans un gros laminoir pour être transformés en brames, ébauches de produits plats (étape dite de « slabbing ») ou en blooms, futurs produits longs (c'est le « blooming »).

Techniques de décarbonationModifier

Produire une tonne d'acier par le procédé de fabrication basé sur l'utilisation du charbon dans un haut fourneau émet entre 1,8 et 2 tonnes de CO2. Cette méthode traditionnelle est aujourd'hui utilisée pour produire 70 % de l'acier mondial. Afin de réduire ces émissions, les industriels ont déjà travaillé sur l'optimisation de leurs hauts fourneaux, via l'ajout de ferrailles recyclées ou la réutilisation des gaz et de la chaleur induits. La production d'acier à partir de ferrailles récupérées, dans des fours électriques, assure déjà 20 % de la production mondiale d'acier et même 40 % en Europe. Les fours électriques n'émettent plus que 300 à 700 kg de CO2 par tonne d'acier, en fonction de l'origine de l'électricité utilisée. Les efforts des sidérurgistes pour aller plus loin se concentrent sur l'opération de réduction du minerai de fer, c'est-à-dire d'extraction de l'oxygène pour obtenir du fer quasiment pur. Certains aciéristes opèrent déjà de telles « réductions directes » (DRI, pour Direct Reduced Iron) à l'aide de gaz naturel. L'objectif à terme est de remplacer le gaz naturel par de l'hydrogène vert, produit par électrolyse grâce à de l'électricité décarbonée. Cette technologie a été utilisée pour la première fois au monde en août 2021 par le sidérurgiste suédois SSAB avec son projet Hybrit. De nombreux projets sont en préparation en Europe. D'autres technologies, comme la capture du CO2 ou l'électrolyse, sont aussi à l'étude, sans être réellement matures[1].

Notes et référencesModifier

Voir aussiModifier