Fer réduit direct (FRD/DRI) : techniques de production et procédés industriels

Le fer réduit direct (FRD ou DRI, Direct Reduced Iron) est le produit obtenu par réduction directe de minerai de fer ou autres matériaux ferreux à l'état solide, en utilisant charbon non cokéfiable ou gaz naturel. Les procédés produisant du DRI par réduction du minerai sous le point de fusion du fer sont dits procédés de réduction directe (RD). Agents réducteurs : monoxyde de carbone (CO) et hydrogène (H₂), issus gaz naturel reformé, syngaz ou charbon. Minerais utilisés surtout sous forme pelletes et/ou grenailles. O₂ retiré du minerai par réactions chimiques basées H₂/CO pour produire DRI hautement métallisé.

Dans le processus de réduction directe, le fer métallique solide (Fe) est obtenu directement du minerai solide sans fusion minerai ni métal. Réduction directe = réduction état solide à potentiels O₂ permettant réduction oxydes fer mais pas autres oxydes (MnO, SiO₂, etc.) vers éléments correspondants. Réduction état solide → très peu de chance dissolution ces éléments (faible activité thermodynamique) dans fer réduit → oxydes plus stables que fer restent essentiellement non réduits.

DRI structure poreuse : produit par retrait O₂ minerai. Aussi appelé « fer éponge » (structure éponge, réseau pores connectés). Pores → surface interne ~10 000 fois > fer massif.

DRI produit sous formes multiples : grenailles, pelletes, fer briqueté à chaud (FBC/HBI), fines, fer briqueté à froid (FBCf/CBI). HBI et CBI = formes densifiées DRI pour manutention/transport facilités. HBI = compactage DRI très haute pression à > 650 °C. Ferme pores, limite surface contact air, augmente conductivité thermique.

Teneur en fer et métallisation

Fer dans DRI sous deux formes : fer métallique Fe(M) + fer résiduel oxydes Fe(O). Fer total Fe(T) = somme deux composantes. Fer métallique = quantité agrégée fer libre ou combiné carbone (cémentite). Métallisation DRI = mesure conversion oxydes fer en fer métallique (libre ou cémentite) par retrait O₂ via réducteur. Degré métallisation = % masse fer métallique / masse fer total.

Historique procédés RD

Premier brevet DRI : 1792, Royaume-Uni (four rotatif présumé). Développement procédés RD modernes : milieu XIXe. Depuis 1920 : > 100 procédés inventés/exploités. Majorité n'ont pas survécu. Ère moderne DRI : 5 déc. 1957, usine HYL démarre Hylsa. Première usine Midrex : 17 mai 1969, Oregon Steel Mills, Portland. Procédé four rotatif charbon = combinaison procédé Republic Steel-National Lead (RN, 1920s, valorisation minerais bas grade) + procédé Stelco-Lurgi (SL, début 1960s, DRI haut grade).

Processus production DRI

Mélange intime minerai préparé (calibré) + réducteur (généralement aussi chauffage lit minerai à température pour taux réduction adéquats). Réducteur = gaz ou solide. Principaux procédés : gaz naturel ou charbon. Alimentation RD : minerai calibré 10–30 mm ou pelletes 8–20 mm (usine pelletage).

Procédé gaz : four shaft vertical pour réaction réduction. Procédé charbon : 4 types réacteurs : (i) four rotatif, (ii) four shaft, (iii) lit fluidisé, (iv) four sole rotative. Four rotatif = réacteur le plus populaire charbon.

Figure 1 : principe réduction directe minerai fer.

Figure 1 : Principe réduction directe minerai de fer

Figure 2 : principe procédé réduction directe.

Figure 2 : Principe procédé réduction directe

Procédé gaz

Four shaft vertical : minerai chargé sommet, fer éponge fini tiré bas après refroidissement (évite réoxydation). Gaz réducteur traverse lit minerai, gaz usé recirculé après chauffage et reformage en mélange H₂/CO dans reformeur, chauffé à 950 °C (température pour taux réduction adéquats). Four shaft = principe contre-courant : minerai descend par gravité, réduit par gaz réducteurs montant.

Combustibles gazeux : capacité reformage/craquage pour produire mélange H₂/CO. Gaz naturel haute teneur méthane = le plus utilisé. Gaz naturel reformé → enrichi H₂/CO → préchauffé → four shaft RD.

Procédé gaz = simple exploitation, 3 étapes majeures : (i) réduction minerai, (ii) préchauffage gaz, (iii) reformage gaz naturel. Existe versions sans reformage gaz naturel.

Cœur procédé gaz = four shaft. Vaisseau cylindrique, revêtement réfractaire, composant clé RD. Réacteur flexible, polyvalent : gaz naturel, syngaz charbon, gaz cokerie, gaz échappement Corex comme gaz réducteur.

Réactions réduction avec H₂ et CO :

• H₂ : (i) 3Fe₂O₃ + H₂ = 2Fe₃O₄ + H₂O, (ii) Fe₃O₄ + H₂ = 3FeO + H₂O, (iii) FeO + H₂ = Fe + H₂O
• CO : (i) 3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂, (ii) Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂, (iii) FeO + CO = Fe + CO₂

DRI gaz pas séparation magnétique (pas contamination matériaux non magnétiques). Procédé gaz flexible : 3 formes produit selon besoins utilisateur : DRI froid, HBI, DRI chaud.

Trois procédés gaz populaires : (i) HYL, (ii) Midrex, (iii) PERED. Dernière version HYL = Energiron. Figure 3 : flowsheet Energiron.

Figure 3 : Flowsheet procédé Energiron

Figure 4 : flowsheet Midrex.

Figure 4 : Flowsheet procédé Midrex

Procédé charbon

Réacteur = four rotatif légèrement incliné horizontal. Températures exploitation 1000–1100 °C. Four rotatif : charbon + minerai chargés même extrémité. Pendant avancement charge, réaction oxydation C charbon et réduction CO soigneusement équilibrées. Profil température 800–1050 °C selon zones longueur, minerai réduit par gravité. Réactions réduction de base : (i) C + O₂ = CO₂, (ii) CO₂ + C = 2CO, (iii) 3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂, (iv) Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂, (v) FeO + CO = Fe + CO₂.

Produit four (mélange DRI/char) refroidi roto-refroidisseur eau externe à 100–200 °C. Produit déchargé → criblage + séparation magnétique. DRI magnétique → attiré/séparé char non magnétique. DRI séparé criblé 2 fractions : +3 mm et -3 mm. Fraction -3 mm parfois briquetée (chaux hydratée + mélasse liants). Figure 5 : flowsheet procédé charbon four rotatif.

Figure 5 : Flowsheet procédé RD charbon four rotatif production DRI

Propriétés DRI

Tableau 1 : comparaison DRI charbon vs gaz.

Tableau 1 : Comparaison DRI charbon et gaz
N°	Sujet	Unité	Charbon	Gaz
1	Teneur carbone	%	0,2–0,25	1,2–2,5
2	Taille produit		variable	uniforme
3	État matériau		stable	Sensible réoxydation
4	Densité en vrac	t/m²	1,6–2,0	1,5–1,9
5	Non métalliques	%	0,3–0,5	Néant
6	Métallisation	%	86–92	85–93
7	Production HBI		Non réalisable	Réalisable

Tableau 2 : comparaison composition DRI charbon vs gaz.

Tableau 2 : Comparaison composition DRI charbon et gaz
N°	Sujet	Unité	Charbon	Gaz
1	Fer métallique	%	80–84	83–86
2	Oxydes	%	6–9	5–8
3	Carbone	%	0,2–0,25	1,2–2,5
4	Gangue	%	3–4	2–6
5	Fondants	%	1–3	0–3
6	Soufre	%	0,02–0,03	0,05–0,25
7	Phosphore	%	0,04–0,07	0,03–0,08
8	Résidus	%	0,3–0,5	0,02–0,05

Avantages du DRI

• Permet dilution résidus métalliques ferraille en sidérurgie
• Produit manufacturé → composition uniforme
• Taille uniforme
• Faible teneur soufre et phosphore vs ferraille
• Chargé en HF avec autres matières charge → améliore productivité HF