Comment fonctionne le haut fourneau ?

Introduction

Les hauts-fourneaux jouent un rôle important dans la production d'acier, en réduisant le minerai de fer en fer par un processus de fusion à haute température. Dans cet article, nous examinerons de plus près le fonctionnement d'un haut fourneau, ses pièces et ses fonctions, ainsi que son utilisation dans d'autres domaines.

Qu'est-ce qu'un haut fourneau ?

Fondamentalement, les hauts fourneaux sont de grands puits verticaux qui utilisent la chaleur et des réactions chimiques pour transformer le minerai de fer en fer fondu. Il s'agit essentiellement d'une énorme boîte en acier qui fonctionne sous haute pression et à haute température, convertissant le minerai de fer en métal qui est le principal intrant de la fabrication de l'acier. Le terme "souffle" fait en fait référence à l'air à haute pression qui est introduit dans le four pour soutenir le processus. Le convertisseur basique à oxygène (BOF) est principalement utilisé dans la fabrication du fer et de l'acier, et son utilisation a évolué au fil des siècles.

Principaux ingrédients d'un haut fourneau

Minerai de fer

Le minerai de fer est le fer primaire qui alimente le haut fourneau. Il s'agit généralement d'oxydes tels que l'hématite (Fe2O3) ou la magnétite (Fe3O4). Ces minerais ont une forte teneur en fer, mais le métal est chimiquement combiné à l'oxygène et à d'autres éléments. Le minerai de fer est transformé en fer par des réactions chimiques.

Coca-Cola

Le coke est une matière à forte teneur en carbone produite par le chauffage du charbon en l'absence d'oxygène.

Calcaire

Pour éliminer les impuretés du minerai de fer, telles que la silice dans le four, on utilise du calcaire. Ces impuretés sont mélangées lorsque le calcaire est formé en un sous-produit appelé scorie du four.

La formulation dans un haut fourneau pour la production de fer signifie que ces matériaux sont chargés dans le four dans des conditions définies.

Comment fonctionne le haut fourneau ?

Le haut fourneau est chargé de minerai de fer, de coke et de calcaire, et se met en marche. Les tessons et les matériaux fibreux sont introduits dans la partie supérieure du four en couches alternées. Le four fonctionne alors à une température très élevée d'environ 2000°C (3632°F). De l'air chaud est soufflé dans le four par le bas, ce qui enflamme le coke et déclenche les réactions chimiques qui décomposeront le minerai.

Les matériaux subissent plusieurs processus du haut vers le bas du four, qui produiront du fer liquéfié à la base du four. Il est utile de considérer chaque étape en détail : le chauffage, les réactions chimiques et la séparation des impuretés - on peut ainsi voir comment fonctionne le haut-fourneau.

Le rôle de l'air dans le four

Une tuyère ou une buse spéciale située au fond du four injecte de l'air dans le four. L'air soufflé apporte un nouvel apport d'oxygène pour maintenir la combustion du coke, le dioxyde de carbone et le monoxyde de carbone étant les produits de la réaction. Ce CO est crucial, car c'est un agent réducteur qui réagit avec le minerai de fer pour obtenir du fer.

L'air à très haute pression est nécessaire pour maintenir la température adéquate dans le haut fourneau, ce qui facilite la réaction chimique. Sans ce souffle d'air, les réactions chimiques ne se dérouleront pas efficacement et le four ne pourra pas produire de fer fondu.

Réactions des hauts fourneaux

Réduction du minerai de fer

Le coke génère du monoxyde de carbone (CO) qui réagit avec l'oxyde de fer(III) (Fe2O3) :

Fe2O3+3CO→ 2Fe+3CO2

Cette réaction chasse l'oxygène du minerai de fer, produisant du fer pur (Fe) qui devient du fer liquide qui se dépose au fond du four.

Formation du laitier

Le calcaire (CaCO3) est introduit pour se combiner aux impuretés du minerai de fer, telles que la silice (SiO2), formant ainsi des scories :

CaCO3→ CaO+3CO2

L'oxyde de calcium (CaO) se combine ensuite avec des impuretés pour former du silicate de calcium (laitier), qui s'élève à la surface du fer en fusion.

Ces réactions sont la pierre angulaire de la réactions des hauts fourneaux qui transforment les matières premières en fer fondu utilisable.

Le fer fondu et le laitier

Une fois la réaction terminée, le fer en fusion tombe au fond du four et les scories flottent à la surface. L'oxyde de fer, la matière première, tombe au fond du four, où il fond, et le fer en fusion est aspiré par une soupape spéciale. Les matières impures, appelées "scories", sont extraites du four séparément.

Exploiter le fer en fusion

Une fois qu'une quantité suffisante de fer en fusion s'est formée au fond du four, elle est "expulsée" par un bec verseur dans un moule ou un conteneur. Ce fer, appelé fonte brute, est la matière première pour la production d'acier supplémentaire. C'est dans ce four d'aciérie qu'il sera réduit en carbone et utilisé pour fabriquer de l'acier. Le fer produit dans les hauts fourneaux joue un rôle clé.

Qu'advient-il des scories ?

Les déchets du haut fourneau ne sont pas gaspillés. Ils sont souvent recyclés dans la construction, entrent dans la composition des chaussées ou sont transformés en ciment. Dans certains cas, le laitier peut également être traité de manière à récupérer le fer qu'il contient, ce qui en fait un sous-produit précieux.

Température et contrôle

L'optimisation du fonctionnement du haut fourneau passe par un contrôle minutieux de la température. Si elle est trop froide, les réactions ne seront pas efficaces. Si elle est trop élevée, le four peut être endommagé. Contrôle de la température Ajustement de la quantité de coke ou du débit d'air. Ces facteurs ont ensuite été intégrés dans des systèmes avancés de contrôle des hauts-fourneaux afin de les ajuster en conséquence et de contrôler le bon fonctionnement du haut-fourneau.

Le rôle du haut fourneau dans la production d'acier

Le haut fourneau est un grand four de fusion qui constitue un élément clé du processus de production de l'acier. Sa fonction principale est de convertir le minerai de fer en métal chaud pour la fabrication de l'acier. sidérurgie.
Le processus est le suivant : le minerai de fer et le coke sont introduits par le haut du haut fourneau, et les gaz réducteurs qui se trouvent à la base remontent. Enfin, l'oxyde de fer est transformé en métal chaud.
Le haut fourneau produit donc de la fonte brute, qui est ensuite transformée en acier lors de la deuxième étape.

Améliorations modernes

De nouvelles technologies ont été développées pour faire des hauts fourneaux une option plus efficace sur le plan énergétique et plus écologique. Les nouveaux fours sont dotés de mécanismes de contrôle sophistiqués permettant d'optimiser la température, le flux d'air et l'apport de matériaux. Non seulement les hauts fourneaux peuvent fonctionner avec des matériaux alternatifs - par exemple, la biomasse - afin de réduire les émissions de carbone, mais ils sont également de plus en plus conçus pour fonctionner avec des combustibles fossiles. Mais ils sont également de plus en plus conçus pour fonctionner au moins avec des matériaux alternatifs afin de réduire les émissions de carbone. carbone qu'ils le font. Il s'agit donc d'aider l'industrie à passer à des pratiques durables.

Conclusion

Le haut-fourneau est un élément essentiel de la sidérurgie et d'autres industries. C'est pourquoi la compréhension du processus du haut fourneau et de ce qui s'y passe permet d'apprécier la complexité de la fabrication industrielle. Les principes de fonctionnement des hauts fourneaux ont guidé les industries pendant des siècles et continuent à jouer un rôle vital dans la fabrication moderne.