Avancées dans la production de fer : Technologies de fusion-réduction pour une production efficace de fonte

Développement des procédés de fusion-réduction pour la production de fer

Les procédés de fusion-réduction (SR) constituent le développement le plus récent dans la technologie de production de fonte liquide. Ces procédés combinent la gazéification du charbon non cokéfiable avec la réduction par fusion du minerai de fer. L'intensité énergétique des procédés SR est inférieure à celle du haut-fourneau (BF), car la production de coke n'est pas nécessaire et le besoin de préparation du minerai de fer est également réduit.

Le procédé de fusion-réduction a été conçu à la fin des années 1930. L'histoire du développement des procédés SR remonte aux années 1950. Les études fondamentales à l'échelle de laboratoire sur la fusion-réduction du minerai de fer ont été menées pour la première fois par Dancy en 1951. Cependant, les efforts sérieux ont commencé à partir de 1980.

Il y a eu deux lignes de développement distinctes de la technologie de production primaire de fer durant la seconde moitié du XXe siècle.

La première ligne était centrée sur le BF, qui est resté le principal procédé pour la production de fonte. En général, cette ligne n'a pas entraîné de changements radicaux dans le fourneau lui-même. Elle a progressé par une évolution graduelle impliquant : (i) l'augmentation de la taille du fourneau, (ii) l'amélioration de la préparation de la charge, (iii) l'augmentation de la pression au sommet, (iv) l'augmentation de la température du vent chaud, (v) le chargement sans cloche et les améliorations de la distribution de la charge, (vi) les améliorations des réfractaires et systèmes de refroidissement, (vii) l'injection de combustibles auxiliaires (gaz, fuel, charbon pulvérisé) et l'enrichissement du vent chaud en oxygène (O₂), et (viii) l'application de l'automatisation ainsi que les améliorations en instrumentation et contrôle. Le succès continu de la production de fer au BF reflète les niveaux très élevés d'efficacité thermique et chimique atteignables lors de la production de fonte et les avantages de coûts qui en découlent. Dans le cas des grands BF, ces avantages sont complétés par des économies d'échelle.

Limites du haut-fourneau et émergence des alternatives

La technologie de production de fonte en BF a cependant atteint un stade où la production techniquement et économiquement efficace a lieu à grande échelle, normalement de l'ordre de 2 à 3 millions de tonnes/an. De plus, la production de fer au BF nécessite une infrastructure considérable et des unités de production associées incluant la cokéfaction et les installations d'agglomération des fines de minerai. Cela entraîne une forte intensité en capital d'un complexe BF moderne, qui non seulement nécessite une très longue période de construction, mais doit aussi être exploité à des niveaux proches de sa capacité pour être économiquement viable.

La seconde ligne de développement, en parallèle avec les développements du BF, consiste en efforts considérables vers le développement de voies de fabrication plus petites et plus flexibles à coûts d'investissement moindres. Cela a conduit au développement d'une technologie alternative de production primaire de fer apparue à la fin des années 1960 et au début des années 1970 : la technologie de réduction directe (DR), où la charge d'oxyde de fer est réduite en fer métallique par des gaz réducteurs à des températures inférieures au point de fusion du fer. Le produit des procédés DR, le fer réduit direct (FRD), est physiquement similaire à la charge sous forme (généralement minerai en vrac et/ou pelletes) et contient les minéraux de gangue du minerai original. Le FRD est aussi appelé fer éponge. Il convient comme substitut de ferraille lors de la fabrication d'acier et présente des avantages de qualité sur la ferraille, principalement par sa faible teneur en éléments résiduels et sa facilité de manutention et d'alimentation.

Les procédés DR peuvent fonctionner économiquement à des niveaux de production bien inférieurs à ceux du BF, typiquement moins de 0,6 Mt/an. Ils nécessitent peu d'infrastructure de support et sont beaucoup moins intensifs en capital que le BF. Certains utilisent le gaz naturel comme matière première pour la production de gaz réducteurs. La disponibilité du gaz naturel n'est pas généralisée. Les procédés DR à base de charbon sont principalement basés sur des fours rotatifs et ne sont populaires que dans quelques pays pour diverses raisons techniques et économiques.

Les procédés DR souffrent aussi de produire un produit intermédiaire en concurrence directe avec la ferraille, car il nécessite une fusion et un affinage, souvent dans un four à induction ou un four à arc électrique. Le coût élevé de l'électricité rend la fusion électrique moins attractive. De plus, en environnement déprimé, la baisse des prix de la ferraille entraîne celle du FRD. Cela a résulté en une moindre popularité des procédés DR dans la plupart des pays.

La moindre popularité des procédés DR a fourni des incitations au développement de la voie de fusion-réduction. Le résultat a été une concentration des efforts de développement sur des procédés pouvant concurrencer le BF mais moins vulnérables à ses problèmes.

Objectifs pour le développement des procédés SR de production de fer

• Coût réduit : Le BF étant thermiquement et chimiquement efficace, il y a peu de marge pour réduire les coûts des matières premières et de l'énergie. Mais il y a des opportunités pour réduire les coûts élevés liés au BF en évitant les unités associées intensives en capital. L'objectif évident était l'utilisation directe du charbon non cokéfiable comme combustible et réducteur pour éviter l'unité de cokéfaction. La capacité d'utiliser des fines de minerai était un autre objectif pour éliminer le coût des unités d'agglomération (sinter/pelletisation). L'utilisation d'O₂ en vrac, largement disponible, offrait une méthode pour atteindre des températures de procédé élevées sans fours à vent chaud, et comme l'O₂ est normalement disponible à haute pression, pas besoin de gros soufflantes.
• Exploitation à petite échelle : Deuxième objectif : avoir une taille économique du procédé. Si la dépendance aux unités associées peut être évitée, le coût d'investissement global peut être réduit, permettant une exploitation économique à une capacité bien plus petite (disons ~0,5 Mt/an). Les petits procédés SR offrent aussi l'opportunité d'une usine moins complexe, nécessitant un temps de construction considérablement plus court et étant beaucoup plus simples à exploiter. Ces technologies peuvent devenir attractives dans les pays où il est difficile d'arranger des financements à grande échelle et où il y a des problèmes de disponibilité du charbon métallurgique.
• Flexibilité accrue : Un procédé SR à faibles coûts d'investissement et utilisant du charbon non cokéfiable peut avoir une flexibilité opérationnelle plus grande. Une unité de procédé SR petite et assez autonome peut aussi être logistiquement et managérialement plus flexible qu'un grand complexe intégré (cokéfaction, agglomération, BF) où les changements ou retards dans une zone affectent toutes les autres. La flexibilité dans les sources de combustible est avantageuse, et un procédé pouvant utiliser une large gamme de charbons de fournisseurs variés offre des flexibilités supplémentaires.
• Capacité d'intégration avec les technologies disponibles dans d'autres domaines : Le procédé doit produire du fer utilisable par les procédés de fabrication d'acier existants. De plus, le procédé SR ne doit pas interférer avec le procédé de production de fer déjà en exploitation dans l'usine. Le produit requis doit être similaire à la fonte de BF en termes de température et composition chimique.
• Supériorité vis-à-vis de l'impact environnemental : Avec la prise de conscience croissante de l'impact environnemental, le procédé à impact moindre a une plus grande acceptabilité. L'objectif est d'avoir des émissions et rejets inférieurs à ceux du BF.

Concept de procédé

Pour que le procédé SR complète et/ou concurrence le BF, une nouvelle génération de procédés SR est en développement. Ces procédés sont basés sur le charbon non cokéfiable comme combustible et réducteur principal et visent un produit fer liquide. Plusieurs proposent d'utiliser de l'O₂ en tonnage comme oxydant pour permettre aux exigences de chaleur du procédé d'être satisfaites par la combustion du charbon. Quelques-uns envisagent un usage à grande échelle du chauffage électrique comme source de chaleur.

La fusion-réduction de minerais de fer pour donner un produit fer liquide dans des procédés autres que le BF a longtemps été reconnue comme techniquement faisable et attractive, et plusieurs concepts ont été proposés. Beaucoup n'ont jamais trouvé d'application commerciale et semblent peu susceptibles d'être développés.

Pour comprendre comment les procédés SR ont évolué au niveau de développement actuel, il faut comprendre les positions de départ à partir desquelles les concepts ont été développés.

• Concepts basés sur la fabrication d'acier à l'oxygène basique (BOS) : Fin des années 1970/début 1980, intérêt pour réduire les coûts de la voie BOS en augmentant la capacité de fusion de ferraille. Stimulé par le bas prix de la ferraille. Méthodes d'ajout de combustible (généralement charbon) au convertisseur et libération de chaleur pour fondre plus de ferraille en soufflant plus d'O₂. Mais la récupération d'énergie dans le convertisseur tendait à être relativement inefficace, une proportion significative de l'énergie du combustible étant perdue dans les gaz d'échappement. On a vite réalisé que ces gaz étaient très appropriés comme gaz réducteurs en réduction directe, technologie bien comprise. Il est devenu évident que le fer réduit produit pouvait être alimenté au convertisseur comme charge métallique pour soutenir un processus de fusion-réduction autosuffisant. Initialement, l'alimentation de FRD chaud de l'unité de réduction au réacteur de fabrication d'acier était vue comme un problème d'ingénierie difficile, et des procédés avec refroidissement du FRD avant déchargement ont été proposés. Cependant, on a maintenant accepté que le gain d'efficacité énergétique par transfert à chaud du FRD l'emporte sur les problèmes d'ingénierie, et les concepts actuels sont basés sur le transfert à chaud. Bien qu'il y ait des caractéristiques spécifiques aux différents procédés basés sur BOS, reflétant des différences d'ingénierie et d'accent mis sur le procédé par les développeurs, les concepts de base et la conception thermochimique sont pratiquement identiques.
• Concepts basés sur la réduction directe : Comme les procédés DR au gaz naturel devenaient progressivement moins attractifs dans la plupart des sites en raison de la disponibilité et des prix élevés du gaz, les efforts se sont dirigés vers l'utilisation de charbon non cokéfiable comme source de gaz réducteur pour les usines DR. Le procédé DR couplé à la gazéification du charbon était considéré techniquement faisable mais non viable en raison des coûts d'investissement élevés de la gazéification. Cependant, ce concept a été repris, et un méltér-gazéificateur de conception innovante a été proposé, couplé à un fourneau à réduction de type conventionnel. Le méltér-gazéificateur a un lit fluidisé alimenté en charbon et FRD du fourneau à réduction, avec des lances à O₂ immergées dans le lit fluidisé. Le charbon entrant dans le lit est dévitalisé et le char restant forme le constituant principal du lit fluidisé et le combustible pour la fusion du FRD.
• Concepts basés sur la cuve du haut-fourneau : Plusieurs conceptions ont été proposées où la fusion et la gazéification ont lieu dans un lit de coke, de la même manière que l'étape finale de fusion dans un BF. Dans ces conceptions, O₂ et charbon sont injectés dans un réacteur rempli de coke, également alimenté en FRD. La fonte et le laitier percolent à travers le coke pour se collectir au fond, et les gaz chauds quittent la zone de fusion à travers le lit de coke. Le coke est présent pour donner un lit ouvert où la fusion a lieu et d'où le gaz peut s'échapper, mais le combustible principal est le charbon non cokéfiable brûlé avec l'O₂. Le but est de minimiser la consommation de coke. Le FRD peut aussi être injecté à la base du réacteur avec charbon et O₂ ou introduit du haut de la zone de réaction avec le coke nécessaire pour compenser le coke consommé. Un développement supplémentaire a été dans le sens de faire l'étape de réduction dans la partie supérieure du réacteur de fusion plutôt qu'une unité séparée, donnant un procédé de fusion-réduction oxy/charbon continu en contre-courant. Un tel procédé cherchait à atteindre les très hauts niveaux d'efficacité thermique et chimique dont le BF est capable.
• Concepts avec apport d'énergie électrique : Ces concepts ont été la base de plusieurs procédés. Ils utilisent l'électricité comme source de chaleur et le charbon ou autres hydrocarbures seulement comme réducteurs. L'hypothèse de base est que la production nucléaire fournira à terme une énergie électrique abondante à très bas coût, et que les combustibles fossiles deviendront progressivement plus chers. Normalement, ces concepts emploient le chauffage électrique pour des conceptions de réacteurs qui, par ailleurs, ressemblent à celles des procédés oxy/charbon. Ils reconnaissent que les contraintes thermochimiques imposées par le système chimique carbone/hydrogène/oxygène/fer s'appliquent que la source de chaleur soit la combustion ou l'électricité.
• Concepts employant des fourneaux de fusion électrique avec combustible fossile comme énergie primaire : Plusieurs procédés utilisent des fourneaux électriques pour la fusion et la réduction finale, et des combustibles fossiles, généralement charbons non cokéfiables, comme source d'énergie primaire. Sous ces concepts, les combustibles sont généralement introduits à l'étape de réduction et les gaz d'échappement de la réduction, avec d'autres chaleurs fatales, sont utilisés pour générer l'énergie électrique utilisée dans l'opération de fusion. Ce type de conception permet un découplage partiel des opérations de réduction et fusion, qui n'ont pas besoin d'être étroitement assorties, car le procédé peut toujours être équilibré par importation ou exportation d'électricité vers ou depuis le réseau. En général, ces procédés transfèrent du matériau partiellement réduit plus un peu de combustible (char) de l'unité de réduction au méltér qui effectue aussi la réduction finale.

Basé sur ces objectifs et concepts, des travaux de développement ont été menés pour plusieurs procédés : BSC, CIG, Hoogovens, Kobe, Krupp, Korf, BSC Oxy/Coal BF, Kawasaki, Pirogas, Plasmasmelt, Sumitomo, DSS, Combismelt, Elred, Inred, etc. Certains n'ont pas survécu après les travaux initiaux à l'échelle de laboratoire. Certains ont atteint le stade usine pilote puis ont été abandonnés. Certains efforts se sont fusionnés en raison d'activités de fusions-acquisitions à grande échelle et le développement a continué sous de nouveaux noms. Cependant, les connaissances acquises ont aidé au développement ultérieur des procédés SR.

Ces dernières années, une vingtaine de procédés SR ont été en développement dans le monde. Le principe de base d'un procédé SR est de fondre le minerai de fer pré-réduit/sinter/pelletes avec du charbon non cokéfiable et de l'O₂ ou du vent chaud dans un réacteur. Le but de tous les procédés SR est de consommer la quantité minimale de charbon non cokéfiable et d'O₂ pour rendre le procédé économe en combustible.

Les procédés SR pour la production de fer peuvent être classés en deux grandes catégories : (i) procédés utilisant charbon et électricité, et (ii) procédés utilisant O₂ et charbon non cokéfiable.

Procédés utilisant charbon et électricité

Ces procédés SR utilisent l'électricité comme source d'énergie et le charbon non cokéfiable comme réducteur. Selon le nombre d'étapes, ils se divisent principalement en deux types : (i) procédé à un étage, et (ii) procédé à deux étages.

Dans le procédé à un étage, le réacteur est alimenté en minerai de fer froid sans pré-réduction et le charbon non cokéfiable est utilisé comme réducteur. Réduction et fusion ont lieu dans le méltér électrique. Les gaz d'échappement du méltér sont utilisés pour la génération interne d'électricité. Le procédé offre une plus grande flexibilité que tout autre procédé oxy-charbon.

Dans le cas du procédé à deux étages, le FRD produit dans une unité de réduction est fondu dans le méltér électrique. Les gaz d'échappement de l'unité de réduction sont utilisés pour la génération interne d'électricité. Le procédé offre une plus grande flexibilité que les autres procédés oxy-charbon.

Les concepts des procédés à un et deux étages utilisant charbon et électricité sont montrés à la figure 1.

Figure 1 : Concepts des procédés à un étage et deux étages utilisant charbon et électricité

Procédés utilisant oxygène et charbon

Ces procédés SR utilisent la combustion oxy-charbon comme source d'énergie et pour la réduction. Selon le nombre d'étapes (selon leur conception thermochimique), ils se divisent en trois types : (i) un étage, (ii) deux étages, (iii) trois étages.

Le procédé à un étage est le plus simple de tous les procédés à bain de fer et représente théoriquement les conceptions idéales où la fonte est produite dans un seul réacteur où réduction et fusion ont lieu. Dans ce procédé, toutes les réactions métallurgiques sont effectuées dans un seul réacteur où minerai, charbon et O₂ sont alimentés et les gaz évoluant du bain liquide sont post-combustés à un degré très élevé (~75 %) et la majeure partie de la chaleur est transférée de retour au bain liquide. Le réacteur est alimenté en charbon humide et minerai humide sans pré-réduction, donc le procédé a des besoins énergétiques élevés. L'énergie totale est fournie par la combustion du charbon avec l'O₂. Les besoins en O₂ et charbon sont élevés en raison des possibilités limitées d'utilisation du gaz réducteur. Ce procédé SR est généralement inefficace et économiquement peu attractif, sauf si des crédits adéquats sont donnés pour la grande quantité de gaz d'échappement de haute valeur (haute température et haut potentiel réducteur). Le contrôle approprié du laitier mousseux à potentiel oxydant et forte moussabilité et l'érosion des réfractaires sont deux autres problèmes. Les avantages incluent : faible coût d'investissement, utilisation de minerai et charbon non préparés, capacité d'accepter des minerais et charbons de faible qualité. Romelt et Ausmelt sont des exemples. Le concept de procédé SR à un étage utilisant O₂ et charbon sans et avec post-combustion est montré à la figure 2.

Figure 2 : Concept de procédé SR à un étage utilisant O₂ et charbon sans et avec post-combustion

Dans le procédé à deux étages, deux réacteurs séparés pour la pré-réduction et la fusion-réduction sont utilisés. Les gaz d'échappement de l'étape de fusion sont utilisés pour la pré-réduction, ce qui réduit le besoin d'énergie pour la réduction finale et la fusion. Selon le degré de pré-réduction et de post-combustion, ces procédés se divisent en deux groupes. Dans le premier groupe, les procédés ont un haut degré de pré-réduction et un très faible degré de post-combustion. Cela nécessite un contrôle étroit du processus de fusion où la composition et la quantité des gaz d'échappement générés sont juste suffisantes pour produire un FRD hautement métallisé. Le procédé Corex appartient à cette catégorie. Dans le second groupe, les procédés ont un faible degré de pré-réduction et un haut degré de post-combustion. Les oxydes de fer pré-réduits à chaud sont généralement chargés dans le réacteur de fusion avec du charbon non cokéfiable et de l'O₂/air préchauffé. Les gaz évoluant du bain liquide sont post-combustés par O₂/air préchauffé à l'intérieur du méltér. La chaleur de la post-combustion est efficacement transférée de la phase gazeuse au bain liquide. Des procédés comme HIsmelt, DIOS, AISI-DOE, etc., appartiennent à ce groupe. L'efficacité du procédé à deux étages peut être améliorée en séparant la zone de réaction gazeuse de la zone de fusion. Une perte de chaleur se produit car les gaz d'échappement du méltér doivent être refroidis de 1600 °C à 800 °C avant de pouvoir être utilisés pour la réduction. Cependant, si du carbone est présent dans la zone de réaction gazeuse, il peut aider à réduire la température du gaz de sortie grâce aux réactions endothermiques C + CO₂ = 2CO et C + H₂O = CO + H₂. Le concept de procédé SR à deux étages utilisant O₂ et charbon sans et avec post-combustion est montré à la figure 3.

Figure 3 : Concept de procédé SR à deux étages utilisant O₂ et charbon sans et avec post-combustion

Dans le procédé à trois étages, un gazéificateur séparé est couplé avec l'unité de fusion et l'unité de pré-réduction pour gazéifier le charbon produisant CO, H₂, CH₄, etc. Ce procédé nécessite une étape supplémentaire de gazéification/reformage entre le réacteur de fusion et le réacteur de pré-réduction. La présence de carbone dans la zone de gazéification aide à réduire la température des gaz de sortie du méltér sans perte d'énergie. Le concept de procédé SR à trois étages utilisant O₂ et charbon est montré à la figure 4.

Figure 4 : Concept de procédé SR à trois étages utilisant O₂ et charbon

Avantages des procédés SR

• Coût d'investissement inférieur grâce à une échelle économique d'exploitation plus faible qu'un BF.
• Coût d'exploitation inférieur principalement grâce à l'utilisation de charbon non cokéfiable.
• Haute intensité de fusion avec haute productivité grâce à une cinétique de réaction plus rapide et un taux de transport accru par convection. La capacité de fusion spécifique est très élevée, au moins le double de celle d'un BF. L'utilisation directe de fines de minerai et de fines de charbon est possible.
• Pas besoin de charbon cokéfiable coûteux.
• Élimination du sinter/pelletisation et de la cokéfaction, diminuant les besoins en main-d'œuvre et les coûts d'exploitation.
• Respectueux de l'environnement grâce à des émissions plus faibles.
• Maintien de la qualité de la fonte équivalente à celle du BF.
• Contrôle amélioré des paramètres du procédé.
• Flexibilité dans le choix de la conception thermochimique.
• Processus de réduction plus rapide qu'un BF.
• Possibilité de recycler les stocks existants, poussières d'usine, boues et autres retours dans la mesure du possible.
• Économie d'énergie améliorée par l'utilisation des gaz d'échappement pour la génération d'électricité. Les procédés SR produisent des gaz d'échappement riches, utilisables pour la production d'électricité.

Limitations des procédés SR

• Consommation importante d'O₂, dont la génération nécessite beaucoup d'énergie (~0,6 kWh par Nm³ d'O₂).
• Génération de grande quantité de gaz d'exportation à haut pouvoir calorifique (~2000 kcal/Nm³) ; la viabilité économique dépend de son utilisation efficace.
• La taille maximale d'un module de procédé SR est limitée et peut ne pas être la meilleure alternative si de grandes capacités de production de fer sont requises.
• La pré-réduction du minerai de fer est une nécessité.
• Le procédé a besoin d'une post-combustion hautement efficace pour satisfaire les besoins énergétiques du processus de fusion.