Convertisseur Peirce-Smith

Au début du XX^e siècle, le convertisseur Manhès-David est révêtu d'un réfractaire siliceux, donc acide. Un convertisseur d'une capacité de 7 tonnes utilise 16 tonnes de réfractaire acide qui durent de 6 à 9 soufflages[L 1]. Ce réfractaire est consommé par les scories dans lesquelles il joue le rôle de fondant[1]. Un réfractaire basique, inspiré de celui mis au point par Sidney Thomas et Percy Gilchrist en 1877[2], avait bien été suggéré par John M. Hollway, précurseur de Pierre Manhès et Paul David, lors de ses essais au début des années 1800[L 2]. L'idée n'avait cependant pas été testée, des problèmes fondamentaux liés au soufflage étant alors plus prioritaires que l'optimisation du réfractaire[3].

L'évolution du procédé calque l'évolution de la métallurgie du fer : le convertisseur Thomas, inventé en 1877, est un convertisseur Bessemer doté d'un revêtement réfractaire basique. Mais, alors que dans le convertisseur Thomas, le réfractaire basique permet d'obtenir des réactions chimiques sensiblement différentes de celles obtenues dans un convertisseur Bessemer, il est uniquement question, dans la métallurgie du cuivre, de disposer d'un réfractaire qui ne réagisse pas avec les scories.

Un réfractaire basique ne réagissant pas avec les scories, il faut trouver un autre moyen d'apporter la silice issue du réfractaire acide, qui est indispensable au procédé. L'injection de poudre siliceuse dans le vent soufflé dans le convertisseur, déjà proposée par Manhès dès 1883 dans son brevet relatif au convertisseur cylindrique[4], échoue notamment car il faut toujours avoir de la silice en excès pour éviter la transformation de l'oxyde de fer(II) (FeO) en tétroxyde de trifer (Fe₃O₄)[note 1], beaucoup moins fusible[5].

Enfin, outre leur coût, les réfractaires basiques sont plus fragiles, et surtout se dilatent et dissipent plus la chaleur que les réfractaires acides[L 3].

En 1888, Claude Vautin essaie un réfractaire basique à Cobar, en Australie, mais abandonne très vite[H 2]. En 1890, un revêtement réfractaire basique est essayé sur un des convertisseurs Manhès-David de Parrot Smelter, à Butte, sous la direction de Herman A. Keller. . Les essais ne débouchent pas sur un revêtement compatible avec une marche industrielle[L 4]. D'autres brefs essais sont aussi entrepris dans des usines américaines sans plus de succès[H 2].

En 1900, Ralph M. Baggaley, de Pittsburgh, commence des essais similaires. Il a analysé les échecs de John Hollway et, contrairement à d'autres, il en déduit qu'un revêtement basique est tout à fait possible. Il entre au capital de la Pittsburg and Montana Mining Company qui possède l'usine de Pittsmont Smelter[note 2]. Là, secondé de William A. Haywood, il parvient à faire durer un réfractaire basique du 7 octobre 1905 au 31 janvier 1906, alors qu'un revêtement acide ne dure guère plus qu'une journée. Il interrompt immédiatement ses recherches lorsque son fils décède brutalement le 12 février 1906, allant jusqu'à refuser une offre des Guggenheim, qui souhaitent moderniser leurs 16 usines. Les réfractaires basiques sont alors momentanément abandonnés : le fort tempérament de Baggaley[5] et les doutes sur la rentabilité du nouveau revêtement, beaucoup plus onéreux, amènent à l'abandon de la technique en 1908[L 4].

Pour autant, le norvégien Knudsen, avait aussi réussi dès 1903 à utiliser un revêtement basique à Sulijtelma : il y réalise deux soufflages successifs, dans un petit convertisseur au revêtement basique, qu'il continue dans un deuxième convertisseur classique, au revêtement acide[L 4].

L'année 1906 voit la création du Kennecott Utah Copper rail line en Alaska par Stephen Birch. Aux États-Unis, ce chemin de fer minier à voie unique ouvre le canyon de Bingham, dans le comté de Garfield (Utah), pour le désenclaver. Les ingénieurs W.H. Peirce et A.A. Smith travaillent sur un four d'affinage permettant de mieux rentabiliser le minerai du canyon. Ils s'inspirent aussi des progrès réalisés au Chili par la Société des mines de cuivre de Catemu, qui en 1903 quadruple sa production grâce à d'excellents procédés pyrotechniques de transformation.

En 1905, à la Baltimore Copper Company's Smelter, les américains William H. Peirce et E. A. Cappelen Smith, commencent à mettre au point un revêtement basique à partir de briques de magnésie que, depuis 1897, Smith adapte à d'autres applications[5]. En 1909, ils y démarrent leur premier convertisseur maçonné avec des réfrcataires basiques[6]. Celui-ci fonctionne jusqu'en février 1910. À ce moment une unité semblable démarre dans le comté de Garfield, dans l'Utah, bientôt imitée par d'autres. Des durées de vie de plusieurs mois, voire quelques années, sont fréquentes[5].

Les améliorations de Peirce et Smith touchent à de nombreux points techniques, dont notamment l'adoption de :

• une grande taille pour augmenter l’inertie thermique du convertisseur, qui devient nécessaire car les réfractaires basiques évacuent plus la chaleur[L 5] ;
• des réfractaires plus épais aux endroits sensibles, pour éviter d'échauffement de l'enveloppe métallique, sont préférés aux boîtes à eaux utilisées par Baggaley ;
• des joints de dilatation permettent d'anticiper les mouvements du réfractaire au moment de la mise à feu du convertisseur ;
• des trous de coulée latéraux pour couler les scories sans interrompre le soufflage ;
• des tuyères amovibles[5].

Leur convertisseur s'avère beaucoup plus économique. En 1921, il est alors considéré comme « le principal élément de la réduction des coûts dans la pyrométallurgie des minerais de cuivre[7] ». Dans certains cas, une baisse du coût de la conversion, de 15–20 dollars à 4–5 dollars, a été rapportée[8].

Le réfractaire basique, qui ne réagit pas avec les scories, dure beaucoup plus longtemps. Dès 1921, W. A. Mueller cite une durée de vie record pour un réfractaire de basique de 3 228 soufflages, soit 85 578 tonnes de matte affinées pendant 2 ans et demi[7]. Cette amélioration permet d'éviter la construction d'installations de maçonnage, de s'affranchir des manutentions dues au remplacement des convertisseurs[L 6] (outre le capital requis moindre, le personnel nécessaire est divisé par 2[5]), et de limiter les risques de percées dues à un mauvais contrôle de l'usure du réfractaire[P 1]. La couche de réfractaire peut alors être plus fine, ce qui augmente la capacité du convertisseur. Celle-ci ne dépend pas de l'usure du réfractaire, ce qui simplifie la gestion des flux de métal en fusion dans l'usine[L 7].

• 
  Convertisseur Manhès-David : la quantité de réfractaire est maximisée.
• 
  Convertisseur Peirce-Smith : des jeux de dilatation sont aménagés.

En 1912, aux États-Unis, 80 % de l'affinage du cuivre est réalisé dans des convertisseurs revêtus de réfractaire basique, dont beaucoup ont été conçus pour un réfractaire acide[5]. Dans le milieu des années 1920, le convertisseur basique Peirce-Smith supplante définitivement celui de Manhès et David[9].

• (en) Marc E. Schlesinger, Matthew J. King, Kathryn C. Sole et William G. I. Davenport, Extractive Metallurgy of Copper, Elsevier, 2011, 5^e éd., 455 p. (ISBN 978-0-08-096789-9, lire en ligne)

• (en) Donald M. Levy, Modern copper smelting, C. Griffin & company, limited, 1912 (lire en ligne)

• (en) Edward Dyer Peters, Modern copper smelting, The Engineering and Mining Journal, 1905, 7^e éd. (lire en ligne)

• (en) Heinrich Oscar Hofman, Metallurgy of copper (lire en ligne)

• (en) Frank K. Krundwell, Michael S. Moats, Venkoba Ramachandran, Timothy G. Robinson et William G. Davenport, Extractive Metallurgy of Nickel, Cobalt and Platinum Group Metals, Elsevier, 2011, 610 p. (ISBN 978-0-08-096809-4, lire en ligne)

• Autres références