Fabrication de l'acier

Le minerai de fer possède des propriétés chimiques et physiques qui le rendent inexploitable en l'état par le haut fourneau. Il lui manque en particulier :

• la résistance mécanique nécessaire pour supporter l'écrasement dû à l'empilage des matières dans le haut fourneau ;
• la porosité permettant la circulation du vent des tuyères vers le gueulard ;
• la composition chimique en oxydes, pour maîtriser le laitier.

Les minerais sont préparés par broyage et calibrage en grains qui s'agglomèrent entre eux. Le mélange obtenu est cuit sous une hotte à 1 300 °C. L’aggloméré obtenu est ensuite concassé et calibré puis chargé dans le haut fourneau avec du coke.

De façon simplifiée, le coke est du carbone presque pur doté d'une structure poreuse et résistante à l'écrasement. Il est utilisé comme un puissant réducteur. Il est obtenu à partir de la houille, après que celle-ci ait été libérée de ses composants indésirables. Pour cela on la fait cuire, à l'abri de l'air, dans les fours de la cokerie à 1 250 °C durant 17 heures. En brûlant dans le haut fourneau, le coke apporte la chaleur nécessaire à la fusion du minerai ainsi que le carbone nécessaire à sa réduction.

On y extrait le fer de son minerai. Minerai et coke solides sont enfournés par le haut, le gueulard. L'air chaud (1 200 °C) insufflé à la base provoque la combustion du coke (carbone presque pur). Le monoxyde de carbone ainsi formé va réduire les oxydes de fer, c'est-à-dire leur prendre leur oxygène et, de ce fait, isoler le fer. Il se chargera cependant en carbone pendant son séjour dans le creuset et se transformera en fonte. La gangue est un produit secondaire du haut fourneau (c'est la part stérile du minerai de fer) ; elle est récupérée, à la sortie du haut fourneau, à l'état liquide, mêlée à d'autres oxydes. La densité moindre de ce résidu le fait flotter au-dessus de la fonte. Ce résidu est appelé laitier de haut fourneau et est principalement exploité pour la fabrication du ciment.

Cet outil assure la conversion de la fonte en acier.

La fonte en fusion est versée sur un lit de ferrailles. On brûle les éléments indésirables (carbone et résidus) contenus dans la fonte en insufflant de l'oxygène pur. Il s'y forme, là aussi, un résidu, le laitier d'aciérie, qui est séparé de l'acier au moment de la vidange du convertisseur. On obtient de l'acier liquide sauvage, qui est versé dans une poche. Il est appelé acier sauvage, car, à ce stade, s'il était coulé, il se solidifierait en provoquant de nombreuses projections dues au rejet des gaz dissous (essentiellement du monoxyde de carbone).

La réduction directe est un ensemble de procédés d'obtention de fer à partir de minerai de fer, par réduction des oxydes de fer sans fusion du métal. Le produit obtenu est du minerai de fer préréduit.

Historiquement, la réduction directe concerne l'obtention d'une loupe au bas fourneau. Ce procédé a été abandonné, au début du XX^e siècle, au profit du haut fourneau qui produit du fer en deux étapes (par réduction-fusion donnant une fonte, puis par affinage dans un convertisseur).

Mais divers procédés ont été mis au point au cours du XX^e siècle et, depuis les années 1970, l'obtention de minerai de fer préréduit a connu un développement industriel remarquable avec l'essor, notamment, du procédé Midrex. Conçus pour remplacer le haut fourneau, ces procédés ne se sont jusqu'ici avérés rentables que dans certains contextes économiques particuliers, ce qui limite encore cette filière à moins de 5 % de la production mondiale d'acier.

Schéma de principe: Les électrodes alimentent un arc électrique

Un four à arc électrique est un type de four qui utilise l'énergie thermique de l'arc électrique, établi entre une ou plusieurs électrodes de carbone et le métal, pour obtenir une température suffisante à sa fusion. Il a été progressivement mis au point à partir de la fin du XIX^e siècle. Sa capacité va généralement d'environ 1 tonne à 400 tonnes. Il est principalement utilisé pour la production d'acier liquide (environ 35 % de la production mondiale).

Elle comporte plusieurs étapes, toutes facultatives, et dont l'ordre peut changer :

• le calmage de l'acier sauvage qui va consommer l'oxygène dissous dans l'acier. Pour cela, on jette dans l'acier liquide de l'aluminium (pour les produits plats) ou du silicium (cas des produits longs) qui, en s'oxydant, vont transformer l'oxygène dissous en oxydes ;
• le dégazage : l'acier va passer par un passage sous vide destiné à parfaire la décarburation entamée au convertisseur (dans ce cas-ci, il est nécessaire de conserver, au préalable, un minimum d'oxygène dissous). A cette étape on peut retrouver les opérations de déshydrogénation et, parfois, de dénitruration (abaissement de la teneur en hydrogène et azote respectivement) ;
• l'ajustement du laitier de poche, de manière qu'il ait la capacité d'absorber les impuretés comme les oxydes produits par le calmage ;
• l'affinage qui va ôter les derniers éléments indésirables, comme le soufre (désulfuration) ;
• l'ajout des éléments d'alliages.

La coulée continue demande typiquement des températures d'acier d'environ 30 °C au-dessus du liquidus de l'alliage. Les moyens de réchauffage sont, soit le four électrique à poches, soit un procédé chimique comme l'aluminothermie. Il est également possible de travailler tout le temps très chaud, pour ne refroidir à la bonne température qu'au dernier moment.

L'acier liquide est coulé, à environ 1 560 °C, dans une lingotière en cuivre de section carrée, rectangulaire ou ronde (selon le demi-produit fabriqué).

Au contact des parois de la lingotière, le métal se solidifie instantanément et commence à former une peau solide. L'acier est ensuite tiré vers le bas par un jeu de rouleaux et d'extracteurs et il achève de se solidifier, grâce essentiellement à des jets d'eau pariétaux.

À cause du refroidissement intense, le métal subit une histoire thermomécanique, lors de son parcours dans la machine de coulée continue. En fonction de cet historique (influencé notamment par la vitesse de coulée, la forme de la machine, l'intensité du refroidissement), la qualité du produit est plus ou moins bonne et le sidérurgiste pourra vendre plus ou moins cher le produit.

La coulée peut être également faite en lingotière. Ce procédé, peu performant en termes de mise au mille permet cependant l'obtention d'alliages spécifiques, comme les aciers non calmés.

L’acier est coulé et solidifié dans des moules en fonte : les lingotières.

Une fois la solidification terminée, les lingots sont démoulés (le « strippage » (de l'anglais to strip qui signifie « retirer »).