Procédé HIsarna de production de fer : acier ultra-faible en carbone

Procédé HIsarna pour la production de fer

Le procédé HIsarna est un procédé de réduction-fusion produisant du fer liquide directement à partir de fines de minerai de fer et de charbon. Il représente une voie potentiellement plus efficace de production de fer, développée pour une réduction substantielle des émissions de carbone. Initiative du consortium ULCOS (ultra low carbon dioxide steelmaking) de sidérurgistes européens, il combine la technologie HIsmelt de Rio Tinto et la technologie Isarna développée chez Tata Steel Ijmuiden. Il élimine le pré-traitement des matières premières requis par le haut fourneau. Le processus comprend la pré-réduction des fines de minerai dans le four cyclone-convertisseur (CCF) de la technologie Isarna et la fusion-réduction du fer dans le vaisseau de réduction-fusion (SRV) du procédé HIsmelt. Le nom combine « HI » (HIsmelt) et « sarna » (Isarna, mot celtique pour fer). Le procédé réduit à la fois carbone et coûts. HIsarna se déroule dans un réacteur spécial : four cyclone étroit au-dessus d'un convertisseur plus large.

Le procédé combiné est ~20% plus efficace énergétiquement et émet moins de GES par tonne de métal chaud vs technologie HF moyenne actuelle, principalement car il ne nécessite ni frittage ni production de coke. Le métal chaud peut être transformé en acier dans un convertisseur basique conventionnel.

HIsarna : réacteur où minerai injecté au sommet. Minéral fondu dans cyclone haute T° et goutte au fond où charbon pulvérisé injecté. Charbon réagit avec minerai fondu → fer liquide = base acier haute qualité. Gaz sortant réacteur = principalement CO2 concentré.

Concept global

Contact contre-courant à deux étages entre minerai et gaz de processus. Les deux étages opèrent au-dessus de la température de fusion. Étage 1 : minerai partiellement réduit fondu produit, s'écoule vers le bas du CCF vers SRV. Deux étages hautement intégrés physiquement, réalisés dans un seul four de fusion (Fig 1).

Historique développement

Première tentative cyclone réduction minerai : Koninklijke Hoogovens années 1960, abandonnée. Nouvelle tentative sérieuse 1986, mise en attente crise économique jusqu'au début années 1990. Relancée pénurie coke milieu années 1990. Technologie CCF développée échelle pilote 15-20 t/h alimentation minerai. Nouvel arrêt 1999 suite succès injection charbon pulvérisé dans HF.

HIsmelt : CRA (Rio Tinto) années 1980, pilote 2 t/h Maxhütte Allemagne, puis 8 t/h Kwinana Australie années 1990. 2001 : Rio Tinto + Nucor, Mitsubishi, Shougang → usine commerciale 800 000 t/an métal chaud Kwinana. Construction 2003-2005, exploitation 2005-2008, ~400 000 t métal chaud. Problèmes équipements auxiliaires → faible disponibilité, endommagement réfractaires. Mais taux production/disponibilité améliorés progressivement, 4e trimestre 2008 : 1 800 t/j métal chaud, 90% disponibilité. Niveau production = taux conception fusion hématite → procédé considéré prouvé.

2004 : UE pression industrie acier réduire empreinte carbone → consortium ULCOS fondé. 2005-2007 : technologie cyclone sélectionnée parmi 4 technologies à haut potentiel. Réponse théorique trouvée aux problèmes post-cyclone four cyclone. ULCOS intègre technologie HIsmelt par accord Rio Tinto → combinaison gagnant-gagnant. Projet pilote soutenu ULCOS en Europe → procédé HIsarna.

Dans CCF : pré-réduction et fusion fines minerai dans cyclone fusion. Minerais + O2 injectés CCF en présence gaz chaud fumeur. Origine : « converted blast furnace » (CBF) développé 1986-1989. CBF : minerai grumeleux hautement pré-réduit four shaft, réduction finale/fusion bain fer où charbon fin gazéifié. Évite cokéfaction mais pas agglomération minerai + problèmes environnementaux. Pour éliminer agglomération : CCF développé, cyclone fusion pour pré-réduction/pré-fusion fines minerai.

HIsarna combine : préchauffage charbon + pyrolyse partielle réacteur, cyclone fusion fusion minerai, SRV réduction finale/production fer. Cyclone fusion + SRV hautement intégrés = four fusion unique. Fines minerai + flux alimentés cyclone fusion avec O2. O2 haute pureté brûle gaz sortie SRV entrant bas cyclone. Combustion (préférablement complète) → chaleur importante → fusion minerai + chauffage T° SRV ~1450°C. HIsarna dans vaisseau fusion (Fig 2) combinant CCF et SRV.

HIsarna n'a pas besoin charbons métallurgiques, utilise charbons thermiques plus disponibles (moins chers). Côté minerai : capacité rejeter phosphore vers laitier. ~90% phosphore → laitier (condition oxydante relative : laitier ~5-6% FeO). Tolérance phosphore pas enjeu majeur partout, mais ouvre exploitation certains minerais normalement trop riches en phosphore. Deuxième possibilité : magnétite titanifère (haut TiO2, Fe 55-60%).

Minerais haute alumine inadaptés voie HF (mauvaises propriétés frittage, productivité HF réduite). HIsarna opère avec laitiers haute alumine (FeO élevé = flux naturel). Position forte pour minerais haute alumine.

Étapes séquentielles HIsarna

1. CCF : Fines minerai + O2 pur injectés partie CCF vaisseau fusion, où gaz sortie SRV brûlé par O2. Fines séparées gaz par flux centrifuge. Chaleur générée → fusion + pré-réduction minerai. Réaction : Fe2O3(s) + 2CO(g) = 4FeO(l) + 2CO2(g). Minerais partiellement réduits fondu s'écoulent par gravité vers SRV. Produit cyclone : mélange fondu Fe3O4 + FeO. T° attendue ~1450°C, pré-réduction ~20%.
2. Sommet SRV : Utilisation chaleur post-combustion (conversion CO→CO2) essentielle. Chaleur capturée par projections laitier circulant dans free-board. Projections protègent panneaux refroidissement flamme post-combustion.
3. Injection charbon : Haute vitesse avec gaz porteur (N2) dans bain. Objectif principal : dissoudre carbone pour étape fusion. Conditions injection critiques. T° bain ~1400-1450°C, Si ~zéro. Impuretés (Mn) très faibles. P et Ti partitionnent majoritairement phase laitier comme oxydes.
4. Fusion : Minerais fondu se dissout directement dans laitier. Mélange métal-laitier généré par panache injection charbon. Grande surface interfaciale métal-laitier pour fusion. Carbone dissous métal réagit O2 minerai → CO significatif. Réaction : FeO(l) + C(s) = Fe(l) + CO(g). Très endothermique, partie basse vaisseau. Source chaleur nécessaire. Oxydes fer laitier réduits interface laitier/métal. Charbon injecté apporte carbone + mélange suffisant. FeO laitier relativement bas, typiquement 5-6%.
5. Circulation chaleur : CO fusion + gaz porteur (N2) + produits dévolatilisation charbon = flux ascendant gaz chauds carburants. Mouvement ascendant → grande quantité projections, métal/laitier cyclant partie haute vaisseau comme gouttes. O2 introduit partie haute par lances → chaleur combustion. Chaleur transportée gouttes région haute → basse. Nombre gouttes traversant zone combustion si grand → élévation T° moyenne par passage <10°C par goutte. Permet chaleur descendre sans compromettre gradient potentiel O2 (relativement oxydant haut, fortement réducteur bas).
6. Gaz partiellement brûlé sortie SRV : Fournit gaz carburant chaud nécessaire partie CCF. T° ~1450-1500°C, post-combustion ~50%. PC = 100(%CO2+%H2O)/(%CO+%CO2+%H2+%H2O). Objectif : ~100% post-combustion sommet cyclone → gaz sortie CO2 concentré sans N2. Adapté combinaison stockage CO2.
7. Produits : Deux couches fondues (laitier sommet, métal chaud fond). Les deux vidangeables individuellement, métal chaud → aciérie.

Gaz déchet HIsarna = sans N2 (procédé O2). Gaz pleinement utilisé = pouvoir calorifique résiduel quasi nul. Traitement gaz Fig 3. Sans ou avec CSC (capture séquestration CO2).

Usine pilote

Pilote HIsarna 8 t métal chaud/h (60 000 t/an) conçu/développé Tata Steel Ijmuiden, plusieurs campagnes depuis 2011. Développement conjoint Tata Steel + Rio Tinto. Tests/développement supplémentaires avec partenaires : ArcelorMittal, ThyssenKrupp, Voestalpine, SSAB, LKAB, Paul Wurth. UE financement significatif. Flux pilote Fig 4.

Cinq campagnes. 1ère démarrage infructueux. 4 autres réussies. Avant chaque campagne : brûleurs préchauffent réacteur ~1200°C. Démarrage rapide : 1er remplissage métal chaud transporté louche 50 t depuis HF vers pilote. Coulée métal → créneau temps max calculé selon T°/composition mesurées. Processus doit démarrer dans créneau pour éviter risque « foyer gelé ».

• Campagne 1 (20 mai 2011) : 1er écoulement fer liquide réussi. Taux injection 60% capacité. Données : processus opère comme prévu, mais plus d'heures exploitation nécessaires confirmation. Heures exploitation < attentes. Objectif théorie→pratique (fer liquide sans pré-traitement matières) atteint.
• Campagne 2 (17 oct - 4 déc 2012) : Objectif production fer liquide période soutenue atteint. 80% capacité conception 8-12h. Dernier run : capacité max 8 t/h atteinte.
• Campagne 3 (28 mai - 28 juin 2013) : Objectif production périodes soutenues + tests diverses matières premières atteint. 1ère fois : acier produit depuis fer liquide HIsarna.
• Campagne 4 (13 mai - 29 juin 2014) : Objectif production stable plusieurs jours atteint fin campagne + tests matières premières.
• Campagne 5 (oct 2017, 6 mois) : Prouve production fer liquide longues durées. Préparation : rénovation significative. Nouveau conduit gaz sortie (+10m hauteur, 37m point haut). À côté : broyage charbon complet, séchage/criblage minerai/chaux. Convoyeurs fermés stockage→injection. Stockage doublé. Labo analyse gaz. Monitoring électronique reprogrammé. Coût estimé ~25 M€.

Tests ferraille acier : jusqu'à 53% matière processus = ferraille. Focus : mélange matières idéal, recyclage laitier acier, injection CO2 pour matières, capture/stockage CO2 → réduction émissions 80%. Phase finale : ferraille + biomasse → réduction CO2 >50%.

Suite succès : étape suivante = concevoir, construire, tester pilote plus grande échelle, investissement estimé 300 M€. Plusieurs années tests 2-3x taille pilote actuel Tata Steel Ijmuiden. Nov 2018 : annonce nouveau pilote grande échelle Jamshedpur, Inde. Capacité prévue 400 000 t/an métal chaud. Prochaine échelle : jusqu'à 1 million t/an. Ne signifie pas fermeture pilote Ijmuiden. Dessin incinérateur et dimensions échelle CCF-SRV Fig 5.

À échelle industrielle, HIsarna revendique : ≥20% émissions CO2 inférieures, ≥20% énergie en moins vs sidérurgie conventionnelle. Idéal pour CSC : absence N2 gaz, compressibilité gaz (teneur CO2 suffisante), flux gaz one-through. Avec CSC : jusqu'à 80% réduction CO2 vs conventionnel. Au-delà énergie/carbone/coûts : élimination 90% phosphore processus → laitier. Permet minerais fer phosphoreux moins chers, normalement refusés HF conventionnel.

Caractéristiques et avantages importants HIsarna

• Chaleur réduction/fusion minerai produite par O2.
• Élimine conversion minerai→frittage/pellets et charbon cokéfiable→coke.
• Utilise matières premières basse qualité.
• CO formé SRV → gaz chauds → chaleur réaction CCF.
• 20% plus efficace énergétiquement, 20% moins intensif CO2.
• CO2 pur → capturable, stockable, utilisable → réduction supplémentaire empreinte carbone (80%).
• Améliore significativement performance durabilité production acier.
• N2 gaz porteur dissolution carbone métal chaud.
• Pas besoin procédés énergivores/polluants.
• Collecte carbone hautement efficace.
• Biomasse ou gaz naturel au lieu charbon → réduction CO2.
• Investissements et coûts exploitation inférieurs (large gamme aliments).
• Coûts investissement significativement inférieurs, métal chaud coûts opérationnels significativement inférieurs.

Attrait HIsarna = combinaison avantages environnementaux + économiques. Capture facile haute proportion (80%) CO2 stockage géologique. Charbons thermiques vs métallurgiques, minerais basse qualité. Réduction 60-80% émissions poussières, NOx, SOx, CO.