ITMK3 : Le procédé écologique de production de nuggets de fer de Kobe Steel

Procédé ITmk3 de fabrication de nuggets de fer

Le procédé ITmk3, aussi appelé « Iron making technologies (IT) mark 3 », est l'une des technologies de réduction au charbon. IT mark 1 = procédé haut fourneau (HF) ; IT mark 2 = réduction directe principalement par procédés gazéifiques (Fig. 1). Développé par Kobe Steel, il est respectueux de l'environnement.

Historique de développement

Essais laboratoire 1996-1998. 1999-2000 : usine pilote 3 000 t/j construite et exploitée aux aciéries Kakogawa de Kobe Steel (Japon). 2002-2004 : usine pilote démonstration 25 000 t/an construite et exploitée au Minnesota (USA). Construction première usine commerciale 500 000 t/an à Hoyt Lakes (Minnesota) démarrée 2007, opérationnelle depuis janvier 2010.

Procédé ITmk3

L'ITmk3 est un procédé rapide de production de fer incluant réduction du minerai, carburisation et fusion du fer, séparation des scories, le tout à températures relativement basses. Le procédé en 4 étapes :

1. Agglomération minerai de fer et charbon
2. Réduction et fusion des agglomérés
3. Séparation fer métallique / scories
4. Traitement gaz d'échappement et récupération chaleur

Dans ce procédé, concentré de minerai de fer et charbon non cokéfiable (réducteur), calcaire (flux), bentonite (liant) sont mélangés et agglomérés en boules vertes auto-réductrices. Ces boulettes sont alimentées dans un four à sole tournante (RHF - Rotary Hearth Furnace) où boules vertes séchées, auto-réductrices et fluxantes sont réduites, carburées et fondues. Le produit est du fer granulaire appelé nuggets de fer. Le procédé sur le diagramme fer-carbone (Fe-C) est Fig. 2.

L'ITmk3 produit du fer granulaire de haute pureté (nuggets de fer) en utilisant fines de minerai et charbon non cokéfiable. Distinctif : réduction, carburisation, fusion et séparation scories (Fig. 3) à températures plus basses (~1 350 °C) vs HF conventionnel. Réaction de réduction en 10 minutes (vs 8 h en HF, 6 h en réduction directe gazéifique).

Pendant le procédé, la réduction du minerai se fait en plusieurs étapes (Fig. 3).

Caractéristiques principales

• Utilise fines de minerai de faible qualité, broyées finement et enrichies pour produire concentré haute teneur, converti en boules vertes.
• Charbon non cokéfiable comme réducteur.
• Boulettes chargées dans four à sole tournante (RHF), chauffées à 1 350 °C, réduites, fondues, séparées en métal et scories.
• Fer fondu solidifié en nuggets à l'intérieur du four, déchargé après refroidissement, séparé des scories.
• Procédé simple, équipements conventionnels. Faible temps de rétention facilite démarrage/arrêt. Fines minerai et charbon pulvérisé agglomérés en boulettes composites.

Les réactions entre minerai et charbon restent les mêmes que pour la production de fer générale :

FeₓOᵧ + yCO = xFe + yCO₂
CO₂ + C = 2CO
C(s) = C (carburisé)
Fe(s) = Fe(l) (fusion)

Les deux dernières réactions sont additionnelles dans l'ITmk3 pour la séparation du fer métallique des scories.

Produit du procédé ITmk3

L'ITmk3 produit des nuggets de fer sans scories (Fig. 5) aux propriétés chimiques et physiques similaires à la fonte. Teneur Fe métallique : 96-97 %, C : 1,7-3,5 %. Soufre ~0,5 %. Densité : 6,5-7,0 g/cm³. Meilleure fondabilité que la fonte d'HF (point de fusion plus bas, conductivité thermique plus élevée). Taille adaptée pour transport/manutention faciles. Pas de réoxydation, pas de génération de fines. Avantages : chargement continu en four à arc électrique (EAF) comme FRI ou HBI (fer briquetté à chaud).

Consommations spécifiques ITmk3

Consommations matières et utilités par tonne de nuggets :

• Fines minerai fer : 1,5 t
• Charbon non cokéfiable : 0,5 t
• Gaz combustible : 1,1 Gcal
• Énergie électrique : 200 kWh
• Eau : 2 m³
• Air comprimé : 85 m³
• Azote : 12 m³

Contrôle environnemental

La filière ITmk3 – EAF produit moins de polluants que HF – convertisseur basique (BOF). Réductions en % (ITmk3-EAF vs HF-BOF) :

• Monoxyde carbone (CO) : 96 %
• Oxydes d'azote (NOx) : 65 %
• Dioxyde de soufre (SO₂) : 77,7 %
• Composés organiques volatils (COV) : 86,5 %
• Dioxyde de carbone (CO₂) : 41,1 %
• Mercure (Hg) : 58,0 %

Implantation type ITmk3

Implantation type avec emprise au sol Fig. 6.

Avantages du procédé ITmk3

L'ITmk3 présente plusieurs avantages sur les autres procédés de production de fer :

• Procédé simple.
• Réduction directe fines minerai avec charbons non cokéfiables.
• Écoénergétique : ~30 % moins d'énergie que HF.
• Émissions CO₂ réduites.
• Faible investissement : élimine usine sinter/granulés et batterie cokerie.
• Matières premières moins chères (fines minerai, charbons non cokéfiables).
• Nuggets haute qualité, meilleure fondabilité que fonte HF en sidérurgie.
• Élimine manipulation fer liquide.
• Nuggets sans scories, sans éléments parasites, sans réoxydation, sans fines → transport facile.
• Exploitation et réglage simples ; facilite ajustement production par démarrage/arrêt.
• Équipements simples, fiabilité éprouvée.