L'évolution de la sidérurgie à l'oxygène basique : des origines aux pratiques modernes

La sidérurgie à l'oxygène basique (BOS) est le procédé de fabrication de l'acier par soufflage d'oxygène pur (O₂) dans un bain de métal liquide contenu dans un récipient appelé convertisseur à l'oxygène basique (BOF), convertisseur LD ou simplement convertisseur.

Origines de la sidérurgie

L'histoire de la sidérurgie débute au XIXe siècle, lorsque Réaumur en France (1772), Kelly aux États-Unis (1850) et Bessemer en Grande-Bretagne (1856) découvrirent comment améliorer la fonte en contrôlant la teneur en carbone des alliages de fer, qui devinrent ainsi véritablement des aciers. Si Réaumur, chimiste, était motivé par la curiosité scientifique, Kelly et Bessemer, ingénieurs, répondaient au besoin de quantités plus importantes et de meilleures qualités d'acier créées par la révolution industrielle avec ses métiers à tisser, machines à vapeur, machines-outils et chemins de fer. Cela initia une relation dialectique entre science et technologie, et les concepts de base de l'affinage de la fonte (fonte brute) par oxydation du carbone (C) dans un bain liquide furent inventés à cette époque.

Ce fut un changement radical par rapport à la réaction gaz-solide dans les fours à shaft, prédécesseurs des hauts-fourneaux qui réduisent le minerai de fer avec du charbon de bois, ou par rapport au puddlage du fer qui était une technologie de forgeage et d'affinage à l'état solide et qui n'a pas d'équivalent aujourd'hui. L'intensité des innovations dans la seconde moitié du XIXe siècle fut impressionnante et entraîna un changement de paradigme. La sidérurgie par convertisseur Bessemer apparut en 1856, le four à foyer ouvert (open hearth), qui peut fondre la ferraille en plus d'affiner la fonte, fut découvert neuf ans plus tard seulement, en 1865, et le convertisseur basique Thomas douze ans plus tard, en 1877. Le convertisseur Thomas utilisait de l'air pour l'affinage du métal liquide.

Du convertisseur à air au procédé à l'oxygène

Le convertisseur à air inventé par Bessemer en 1856 est considéré comme le premier procédé sidérurgique moderne. En 1877, le procédé Thomas, un procédé Bessemer modifié, fut développé pour permettre le traitement de fonte liquide à haute teneur en phosphore. Dans le procédé Thomas, le phosphore (P) était oxydé dans ce qu'on appelle un « post-soufflage » après que la majeure partie du carbone eut été éliminée du bain. Le procédé à foyer ouvert, aussi appelé procédé Siemens-Martin (SM), fut développé presque simultanément. Il utilisait le transfert de chaleur régénératif pour préchauffer l'air utilisé dans un brûleur, et était capable de générer suffisamment de chaleur pour fondre et affiner de la ferraille solide et de la fonte dans un four réverbère. Vers les années 1950, époque où la sidérurgie à l'oxygène basique apparut à l'horizon, la sidérurgie reposait principalement sur la technologie du four à foyer ouvert. Fonte et ferraille étaient chargées dans de grands fours horizontaux où des brûleurs fournissaient l'énergie pour la fusion de la ferraille. Des lances à oxygène (O₂) étaient utilisées pour améliorer l'efficacité des brûleurs et pour éliminer le carbone (C) et le silicium (Si) de la fonte. Le procédé à foyer ouvert était un procédé allothermique et l'énergie externe devait être fournie au four. Les temps typiques de coulée à coulée étaient de huit heures pour des charges de 200 à 250 tonnes d'acier liquide.

La prochaine grande innovation, qui suivit de près l'invention de l'électricité, fut le procédé de four à arc électrique (EAF). L'EAF fut introduit par Héroult à La Praz vers 1900 dans les vallées alpines, près de la source de la nouvelle énergie, car à cette époque il n'était pas encore possible de transporter l'électricité sur de longues distances. La technologie EAF reposait sur l'utilisation d'une énergie de substitution au charbon et sur la fusion de la ferraille en quantités encore plus grandes que le four à foyer ouvert. Le procédé EAF est crédité d'avoir lancé une économie du recyclage.

Le concept de la sidérurgie à l'oxygène basique

Le concept de la BOS remonte à 1856, lorsque Henry Bessemer brevetta un procédé sidérurgique impliquant le soufflage d'O₂ pour décarburer la fonte liquide (brevet britannique n° 2207). À cette époque, il n'existait aucune méthode pour fournir la quantité d'O₂ nécessaire. L'O₂ en quantités commerciales n'était pas disponible du tout ou était trop cher, et l'invention de Bessemer resta donc sur le papier et inutilisée. La sidérurgie par soufflage d'oxygène pur devint praticable en 1928, lorsque la société Linde réussit à développer une méthode (le procédé Linde-Fränkl) pour fournir de l'O₂ pur en grandes quantités. Grâce au succès de ce procédé, l'O₂ devint aussi beaucoup moins cher, si bien que les deux préconditions (disponibilité de grandes quantités et d'oxygène bon marché) pour l'introduction du procédé BOS furent remplies.

En Europe et aux États-Unis, des expériences avec l'O₂ furent menées à plusieurs reprises. Parmi ceux qui travaillèrent avec de l'O₂ de haute pureté figurait Otto Lellep, mais son concept de « soufflage d'O₂ verticalement sur un bain de fonte » s'avéra infructueux. Selon Hubert Hauttmann, qui participa aux expériences de Lellep entre 1936 et 1939 à la Gutehoffnungshütte, l'intention était de convertir la fonte en soufflant de l'O₂ pur à travers une buse dans le fond du convertisseur. L'acier produit de cette manière était de qualité misérable.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, les ingénieurs C.V. Schwartz d'Allemagne, John Miles de Belgique, Durrer de Suisse et Heinrich Heilbrügge d'Allemagne proposèrent leurs versions de la sidérurgie à l'oxygène, mais seuls Durrer et Hellbrügge l'amenèrent au niveau de la production à grande échelle.

Carl Valerian Schwartz déposa une demande de brevet en 1939 pour le soufflage d'oxygène dans le bain à vitesse supersonique. Mais cette méthode aussi était « pas encore capable de produire de l'acier utilisable ». Bien que le procédé Linz-Donawitz (LD) ultérieur présentât des similitudes avec le brevet de Schwarz, ses caractéristiques typiques étaient différentes (par exemple « soufflage central vertical »). C'est sûrement à cause du déclenchement de la Seconde Guerre mondiale que la technologie décrite dans le brevet de Schwarz ne mena pas initialement à des applications pratiques. C'était aussi à la fin des années 1930 que Robert Durrer de Suisse commença ses propres expériences.

Après la guerre, Heinrich Hellbrügge et Robert Durrer (directeur technique des Roll'schen Eisenwerke) poursuivirent les expériences aux Roll'schen Eisenwerke dans la ville suisse de Gerlafingen. La photographie du premier convertisseur à oxygène par le haut à Gerlafingen est montrée à la Fig. 1.

Ce fut Durrer qui établit les principes théoriques de base et conseilla à VÖEST de souffler l'O₂ par le haut dans un récipient séparé, après qu'un contact eut été établi entre Gerlafingen et VÖEST pour une coopération technique à l'échelle industrielle. Une série d'expériences utilisant un convertisseur expérimental de 2 tonnes débuta le 3 juin 1949 dans les locaux de VÖEST. Après que l'équipe de Linz eut subi plusieurs revers initiaux, une percée fut réalisée dès le 25 juin 1949, lorsque la pression d'O₂ fut abaissée et l'extrémité de la lance de soufflage éloignée du bain, de sorte que le jet d'O₂ ne pénètre pas aussi profondément. Avec cette percée, on produisit un acier qui pouvait être laminé en tôle sans problèmes. Le département expérimental de VÖEST examina cet acier et fut très positif dans ses observations. Ce fut le moment où le procédé de sidérurgie par convertisseur LD naquit. Les expériences se poursuivirent jusqu'à ce que plusieurs centaines de coulées de 2 tonnes aient été produites, après quoi on passa à un convertisseur expérimental de 15 tonnes spécialement construit, érigé en plein air. La première coulée fut produite le 2 octobre 1949. Le nouveau grade d'acier fut soumis à des tests métallurgiques et autres continus.

Le facteur clé de cette innovation fut le mouvement du bain liquide. Jusqu'alors, on considérait impossible d'obtenir un mouvement suffisant du bain sans souffler l'O₂ à plus grande profondeur. Mais ce mouvement fut obtenu de manière hautement satisfaisante par la formation de CO (monoxyde de carbone). Le principe du « soufflage doux » favorisa aussi la formation de FeO qui absorba à son tour les impuretés oxydées pour former la scorie. Cela contribua à la production d'un excellent nouveau grade d'acier.

Outre les Roll'schen Eisenwerke à Gerlafingen et VÖEST, la Mannesmann AG à Duisbourg-Huckingen et l'ÖAMG (Donawitz) manifestèrent aussi leur intérêt en mai 1949 pour le procédé de soufflage d'O₂ ou au moins la métallurgie de l'O₂ en général. Au cours des expériences à Linz et après une démonstration du procédé, une division précise du travail fut convenue le 17 juin 1949. VÖEST devait continuer le travail avec l'acier brut de Linz dans un récipient d'affinage beaucoup plus grand, Mannesmann expérimenter le soufflage d'O₂ sur l'acier Thomas, les Roll'schen Eisenwerke étudier l'utilisation de l'O₂ dans le four à arc électrique et l'ÖAMG effectuer des tests avec l'O₂ dans un bas-fourneau à faible hauteur. L'accord obligeait tous les participants à cette métallurgie de l'O₂ à « ne faire aucune déclaration ni transmettre aucune information en dehors de leurs propres entreprises concernant les détails de l'affinage à l'O₂ dont ils auraient eu connaissance ou les conclusions qu'ils auraient pu tirer lors des discussions à Linz le 17 juin 1949. »

Sur la base de cet accord, il apparut vite des expériences à Donawitz que l'utilisation de l'oxygène dans les fours à shaft était sans valeur, et la compagnie commença à explorer d'autres approches. Le procédé développé à Donawitz pour la récupération de scorie à haute teneur en manganèse par soufflage d'O₂ conduisit à la prise de conscience que seul l'utilisation d'un procédé de soufflage avec O₂ pur devait être envisagé pour les plans d'expansion et de rationalisation de la production d'acier à Donawitz. Après des investigations approfondies et un travail de développement réussi sur une installation expérimentale de 5 ou 10 tonnes, avec de l'oxygène fourni lors des premiers tests par des bouteilles disposées en série, la direction décida de construire une nouvelle aciérie, qui serait prête à l'exploitation dans deux ans. Les ingénieurs de Donawitz nommèrent initialement leur procédé « SK », des initiales allemandes pour « Oxygen Converter » (convertisseur à oxygène). Ce terme permit de distinguer dans une certaine mesure les activités de VÖEST et d'ÖAMG.

Le 9 décembre 1949, le directeur général de VÖEST, Heinrich Richter-Brohm, prit la décision, non sans risque, de construire la première aciérie LD. Peu après, et après clarification des questions concernant les méthodes de production pour les grades d'acier plus durs, il fut décidé de construire une usine LD à Donawitz également. Les premiers brevets pour le procédé furent déposés en 1950.

Dans le rapport annuel de recherche et d'assurance qualité de 1951, il était indiqué que « pendant l'année sous revue, un travail de recherche approfondi fut consacré aux nuances d'acier LD, et une publication fut émise. Ce type d'acier devrait posséder un grand potentiel en termes de qualité, et en particulier permettra de produire de l'acier avec une surface de haute qualité combinée à une bonne aptitude au formage à froid. Ceci est particulièrement important pour la production de tôles minces, où jusqu'à présent une bonne aptitude au formage à froid n'était possible que si l'on acceptait certains défauts de surface (nuages d'acier tué). Mais l'acier avec une limite d'élasticité plus élevée peut aussi être produit de manière extrêmement avantageuse par le procédé d'affinage à l'oxygène ».

En 1951, il devint possible à Linz d'affiner la fonte avec de l'O₂ pur en sidérurgie dans un procédé innovant, fiable en exploitation, pour la production d'acier de qualité en grande série. L'annonce du nouveau procédé fut faite pour la première fois en décembre 1951, à la conférence « Affinage de l'acier avec de l'oxygène pur » de la Société autrichienne de métallurgie à Leoben. À la conférence, Robert Durrer déclara que les deux usines métallurgiques (Linz et Donawitz) avaient développé le concept de soufflage d'O₂ de haute pureté sur de la fonte nationale dans un procédé industriel viable, et les félicita pour ce grand succès. Avec cette annonce, l'Autriche devint le premier pays à produire de l'acier à l'échelle industrielle à partir de fonte par soufflage d'O₂ pur. La coupe transversale du convertisseur LD avant et pendant le soufflage d'O₂ dans le bain de métal liquide est montrée à la Fig. 2.

Le 27 novembre 1952, le premier convertisseur fut mis en service à l'Aciérie LD 1 (Fig. 3) à Linz, une étape marquante dans la production d'acier par le principe du soufflage d'O₂. Le 5 janvier 1953, cette Aciérie LD, la première au monde, fut officiellement inaugurée. Au 17 juin 1953, l'Aciérie LD 1 à Linz avait déjà produit 100 000 tonnes d'acier LD, et début décembre 1953, 250 000 tonnes métriques d'acier furent produites. La deuxième Aciérie LD entra en exploitation le 22 mai 1953 à l'Österreichisch-Alpine Montangesellschaft (ÖAMG) à Donawitz. Le procédé, alors développé jusqu'à maturité opérationnelle complète, dépassa toutes les attentes tant par la qualité de l'acier produit que par sa viabilité économique.

Les conditions métallurgiques exceptionnellement favorables de ce procédé donnèrent un acier brut exempt d'O₂, de sorte qu'aucune désoxydation n'était requise. L'acier était un acier à faible teneur en gaz, faible en azote (N₂), exempt de phosphore (P), de soufre (S) et d'éléments d'accompagnement indésirables. Dans ses propriétés techniques, notamment l'aptitude au formage à froid, l'acier produit dans le convertisseur LD était nettement supérieur à l'acier produit par le procédé à foyer ouvert. Le procédé LD était également capable de fournir des nuances d'acier de construction de qualité exceptionnelle. L'acier produit dans le convertisseur LD donna d'excellents résultats dans les structures soudées soumises à des charges très sévères. De larges bobines de tôle large de l'acier produit dans le convertisseur LD étaient fournies en grandes quantités aux laminoirs à froid tant en Allemagne qu'à l'étranger.

L'abréviation LD pour Linz-Donawitz, couramment utilisée aujourd'hui, fut adoptée officiellement en 1958. Le nom LD fut choisi car VÖEST à Linz et ÖAMG à Donawitz l'avaient développé jusqu'à la maturité à l'échelle industrielle.

Diffusion mondiale et évolutions techniques

En août 1954, Dominion Foundries & Steel, Ltd. du Canada devint la première société hors d'Allemagne à exploiter une aciérie LD. Elle disposait de deux convertisseurs de 60 tonnes. Elle fut suivie la même année par McLouth Steel Corp. aux États-Unis, qui démarra son aciérie LD avec l'assistance du directeur d'usine de VÖEST, Rudolf Rinesch. En septembre 1956, la troisième société hors d'Allemagne à commencer l'exploitation LD fut la Société des Aciéries de Pompey, France, avec un convertisseur de 15 tonnes. En 1957, cinq aciéries LD furent mises en service en Allemagne de l'Ouest, au Japon, au Brésil et aux États-Unis ; cinq autres furent ajoutées au total en 1958, deux en 1959 à Rourkela en Inde, et huit en 1960. En 1960, plus d'aciéries LD étaient en construction qu'il n'en avait été construit jusqu'alors, aux États-Unis, au Japon, en Espagne, au Portugal, en Italie (extension d'usine existante), en Allemagne de l'Ouest, au Brésil, en Angleterre, en Écosse, en Norvège, en Argentine, en Australie (1961) et en France.

L'innovation technique dans les procédés de fabrication en amont, particulièrement dans les procédés d'affinage et de coulée, fut essentielle pour atteindre l'amélioration continue des niveaux de qualité des aciers requis pour diverses applications. De ce fait, une mise à niveau continue a eu lieu dans le procédé BOS depuis la mise en service du premier convertisseur LD à Linz.

Le procédé LD original consistait à souffler l'O₂ au-dessus de la fonte liquide à travers la buse refroidie à l'eau d'une lance verticale. Dans les années 1960, les sidérurgistes commencèrent à travailler sur les convertisseurs à soufflage par le bas et l'introduction du soufflage de gaz inerte pour agiter le métal liquide dans le convertisseur et éliminer les impuretés de phosphore.

Au début des années 1970, un développement supplémentaire de la sidérurgie BOS eut lieu avec le soufflage par le bas d'O₂ par l'utilisation de tuyères protégées par gaz hydrocarbure ou fioul. Après avoir fait l'expérience de ces deux types de convertisseurs, des récipients à soufflage combiné haut-et-bas furent développés. Et à la fin des années 1970, le soufflage mixte fut introduit dans le convertisseur du procédé BOS. La plupart des convertisseurs utilisés aujourd'hui dans le monde sont de type combiné.

Des inhomogénéités de composition chimique et de température sont créées dans le bain pendant le soufflage d'O₂ dans les convertisseurs à soufflage par le haut, dues à l'absence de mélange dans le bain de métal. Il existe une zone relativement morte directement sous la cavité du jet dans le convertisseur. La nécessité d'améliorer le procédé sidérurgique dans le convertisseur à soufflage par le haut a conduit au développement du procédé à soufflage combiné. La première pratique de soufflage combiné à être commercialement acceptée fut le procédé LBE (Lance Bubbling Equilibrium) développé par ARBE-IRSID. Ce procédé est beaucoup plus étroitement lié au procédé BOF en ce que tout l'oxygène est fourni par la lance supérieure. L'aspect soufflage combiné est réalisé par un ensemble d'éléments poreux installés dans le fond du convertisseur à travers lesquels de l'argon ou de l'azote est soufflé. Dans le procédé LBE, le gaz azote est généralement utilisé presque exclusivement pour la majeure partie du soufflage dans une plage de 3 à 11 Nm³/min. Cependant, dans la dernière partie du soufflage où l'absorption d'azote peut créer un problème, le gaz argon est utilisé pour l'agitation. En outre, l'argon est utilisé presque exclusivement comme gaz inerte pour l'agitation post-soufflage, à ce moment le débit est augmenté à 10-17 Nm³/min.

Au cours des premières années du procédé convertisseur LD, le gaz de tête était complètement brûlé à la gueule du convertisseur par le capot ouvert, puis refroidi dans la cheminée soit indirectement avec de l'eau, soit par système de refroidissement par évaporation. À cette époque, environ 300 kg de vapeur et 250 m³ de gaz de fumée par tonne d'acier brut étaient produits.

Les aspects environnementaux furent un défi sérieux pour le procédé convertisseur au moment de sa mise en œuvre industrielle dans les années 1950. La finesse des poussières dans les gaz de fumée du convertisseur força les fournisseurs du procédé à développer de nouveaux systèmes de dépoussiérage. 1 gramme de poussière de convertisseur a une surface visible de 300 à 500 m². Pour éviter généralement les effets optiques de « fumées brunes », la poussière doit être éliminée du système à un niveau inférieur à 100 mg par mètre cube. Pour cela, des systèmes de dépoussiérage de type humide et de type sec furent utilisés. Le défi devint de plus en plus une opportunité pour le procédé convertisseur à mesure que les questions environnementales grandirent. Et cette opportunité aida à développer le système de récupération du gaz de convertisseur avec combustion supprimée. Aujourd'hui, les exigences économiques et environnementales imposent que l'énergie dans le gaz de convertisseur et la poussière contenant du fer soient collectées et recyclées efficacement.

Au début des années 1960, des procédés furent développés pour récupérer ce gaz de tête de convertisseur à haut pouvoir calorifique afin qu'il puisse être utilisé comme combustible gazeux à l'intérieur de l'usine. Cela fut réalisé par combustion supprimée. L'équipement de procédé installé au-dessus de la gueule du convertisseur a pour fonctions de refroidir, nettoyer et récupérer le gaz de convertisseur avec l'aide de la combustion supprimée. Avec la combustion supprimée du gaz de tête du convertisseur, 70 à 100 m³ de gaz de convertisseur par tonne d'acier brut avec un pouvoir calorifique variant de 1 600 à 2 000 kcal/Nm³ de gaz sont récupérés. En plus, 80 kg/tonne d'acier brut de vapeur sont également produits si un système de refroidissement par évaporation pour le gaz de tête est adopté.

Au début de la sidérurgie par le procédé convertisseur, les fumées brunes de la cheminée indiquaient que le convertisseur fonctionnait. Aujourd'hui, grâce au système de récupération et de nettoyage du gaz de convertisseur, le fonctionnement du convertisseur n'est détecté que par la torche de flare.

Depuis 1977, un certain nombre d'améliorations ont été apportées à la conception du récipient du convertisseur lui-même, aux matériaux réfractaires et aux pratiques d'application des réfractaires, et à la conception de la lance à oxygène et des buses de fond de four, contribuant grandement à l'amélioration de l'efficacité de la sidérurgie et à la réduction de la consommation unitaire de matières premières et de réfractaires, ce qui est utile pour prolonger la durée de vie du four jusqu'à plusieurs milliers de coulées.

Aujourd'hui, la taille du convertisseur a augmenté et de grands convertisseurs pouvant contenir jusqu'à 350 tonnes métriques de fer sont disponibles. En 2014, sur une production mondiale totale d'acier brut de 1 669 millions de tonnes, la production d'acier brut par le procédé BOS a représenté 1 229 millions de tonnes, soit 73,7 % de la production mondiale totale d'acier.