Généralités

Un haut-fourneau est un four à combustion interne, destiné à la fabrication de la fonte à partir du minerai de fer. Cette fonte est par la suite affinée par chauffage (décarburation) ce qui permet de produire de l'acier et des dérivés ferreux.

Historique

Représentation d'un haut-fourneau au XVIIIe siècle (Manuel de la métallurgie du Fer, Tome 1, par Adolf Ledeburg, édition française traduite par Barbary de Langlade revu et annoté par F.Valton) Ces deux coupes d'un fourneau de section octogonale ont été réalisées en 1716 pour le physicien Réaumur. Conservées dans ses papiers, avec d'autres planches et documents, elles sont finalement publiées dans les planches de l'Art des forges et fourneaux à fer, par Gaspard de Courtivron et Etienne Bouchu, en 1761.
Sur la coupe en haut à gauche (fig. 79), on distingue un soufflet et sur la coupe en haut à droite, le trou de coulée (fig. 80)

Au cours du XIV^e siècle, la force hydraulique est appliquée pour la ventilation des foyers ou bas-fourneaux utilisés pour extraire le fer du minerai. L'utilisation de roues à aubes ou à godets en remplacement de la force humaine permet d'augmenter la puissance des vents. Ceci permit l'augmentation de la hauteur des fours jusqu'à atteindre quatre à cinq mètre. Avec un fourneau de cette hauteur et les températures permises par les nouveaux soufflets, le fer une fois réduit se combinait au carbone, produisant de la fonte, dont la température de fusion (environ 1200°) est nettement inférieure à celle du fer pur. On obtenait donc de la fonte liquide au bas du fourneau, et non plus la loupe de fer pâteux qu'il fallait jusque là extraire du fourneau pour l'amener à forger.

Le lieu et la date précise d'apparition des hauts-fourneaux ne sont pas encore établis avec certitude ; ils semblent avoir été connus au XIV^e siècle dans la région de Liège ; des structures fouillées en Suède et datée du XIII^e siècle pourraient également être des fourneaux de ce type. Ils se généralisent au XV^e siècle dans la plus grande partie de l'Europe du Nord.

La conséquence majeure de la production de fonte est que les hauts-fourneaux peuvent fonctionner en continu, la fonte étant périodiquement coulée, alors que le bas-fourneau doit être arrêté pour extraire la loupe qui s'y est formée. Au XVIII^e siècle, la durée d'allumage des hauts-fourneaux allait généralement de cinq à neuf mois en fonction de la disponibilité de l'énergie hydraulique ; ils étaient rechargés par le gueulard en charbon de bois, minerai et castine (un additif calcaire permettant une meilleure évacuation des impuretés sous la forme d'un laitier) ; la fonte était coulée une à deux fois par jour.

En 1709 a lieu la première coulée au coke en Grande-Bretagne à Coalbrookdale (Shropshire) par Abraham Darby (1678–1717). Le coke remplace le charbon de bois dans l'alimentation du fourneau ; il est produit par désouffrage de la houille. Le procédé au coke est perfectionné par le fils et petit fils de Abraham Darby (qui s'appellent également Abraham Darby). Cependant, la fonte produite de cette manière est dans un premier temps impropre à l'affinage (décarburation pour produire du fer forgé), ce qui explique qu'à cette époque l'utilisation du coke ne se généralise pas. En 1760, la Grande-Bretagne ne compte que 17 hauts-fourneaux au coke et ce n'est qu'en 1780 que son usage se généralise.

En France, les premiers essais au coke n'ont lieu qu'en 1769 à Hayange (aujourd'hui dans le département français de la Moselle) avant que soient construits, sous la direction du Britannique William Wilkinson, les hauts-fourneaux au coke du Creusot. Cette production peine cependant à concurrencer la production traditionnelle au charbon de bois : elle ne la dépasse qu'en 1853, à la faveur de l'explosion de la demande due au développement du chemin de fer. En 1860 encore un tiers de la fonte française est produite dans des hauts-fourneaux au charbon de bois.

Au XIX^e siècle l'utilisation du coke provoque un changement radical dans la technique. La hauteur des hauts-fourneaux atteint trente mètre. Les soufflets sont remplacés par des pistons en fonte actionnés par la vapeur.

En 1828 le Britannique Neilson à l'idée de chauffer les vents (air injectés dans le bas du haut-fourneau). En 1829 il réalise la première machine industrielle qui chauffe l'air à 150°C (à Clyde, au Royaume-Uni). Ceci permet d'économiser un tiers du charbon par rapport au procédé de l'époque. Le procédé est rapidement adopté. En 1870 les Britanniques Cooper et Whitwell mettent au point un procédé utilisant les gaz chauds et combustibles rejetés par le haut fourneau pour chauffer les vents.

Capacités

Un haut-fourneau moderne peut fournir plus de 10 000 tonnes de fonte par jour.

Constitution et fonctionnement

Les différentes parties du haut-fourneau

• La cuve, de forme cylindrique élargie dans le 1/4 de sa base, est constituée de briques réfractaires soutenues par une armature extérieure de poutrelles métalliques.
• Le chargement s'effectue par le haut (minerai de fer, déchets ferreux, coke ou « Charbon »).
• La récupération de la fonte s'opère par coulée au bas du four.
• Une injection d'air est effectuée au plus large du four, afin d'entretenir la combustion du charbon, permettant ainsi la fusion de tous les éléments.
• A l'opposé du point de coulée de la fonte on opère une coulée de laitier, récupération des déchets de la fusion, ou scories.
• La température est variable en fonction de la hauteur dans la cuve (de haut en bas):
  • 300 °C au niveau du gueulard, phase de dessication;
  • 400 °C à 800 °C, phase de réduction;
  • 900 °C à 1 200 °C, phase de carburation;
  • 1 800 °C, phase de fusion;
  • 1 600 °C, phase de liquation, lieu des coulées.

Compte tenu de la forte présence de carbone au cours du procesus, le produit obtenu est un alliage fer-carbone de type fonte (taux de carbone supérieur à 2.1 %).

Les réactions chimiques

Réactions globales

Le principe est de réduire par le monoxyde de carbone les oxydes de fer présents dans le minerai de fer métal.

Production de l'agent réducteur CO (monoxyde de carbone) :

La réaction globale est la suivante :

(a)

Compte tenu de l'excès de carbone et de la température, il y a conversion de la totalité de l'oxygène en monoxyde de carbone.

Il est en fait produit par la succession des deux réactions suivantes :

(b)

puis

(c) (réaction de Boudouard)

À partir de là, la réaction de réduction des oxydes de fer est la suivante :

(d)

Le coke a donc deux fonctions :

• par combustion, il produit l'agent réducteur (a) par combustion notamment en sortie des tuyères. La réaction est fortement exothermique, on atteint des températures de 2200°C.
• Il consomme le dioxyde de carbone (CO₂) produit par la réduction des oxydes de fer (c) pour régénérer l'agent réducteur (CO) des oxydes de fer.

La réduction des oxydes de fer

Les oxydes de fer se réduisent suivant la séquence suivante :

L'enchainement de température au niveau de la cuve sont les suivants (en partant du haut de la cuve en fonction de la température :

• T > 320 °C
  (e)
• 620°C < T < 950°C
  (f)
• T > 950°C
  (g)

dans le bas de la cuve, il y a régénération de CO par la réaction de Boudouard (c) à une température d'environ 1 000 – 1 050°C.

Voir aussi

• Sidérurgie
• Fer
• laitier
• Fabrication de l'acier
• Histoire de la production de l'acier
• Aciérie

Lien externe

• Images de nombreux hauts-fourneaux
• Historique de la sidérurgie, site de la commune de Poisson (Haute-Marne) (52)
• [1] Les hauts fourneaux du 14e siècle à Spa, par Georges Heuse.

Wikimedia Commons propose des documents multimédia libres sur les haut-fourneaux.

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