Du minerai de fer à la fonte

Du minerai de fer à la fonte

1. Le minerai de fer
Le fer utilisé par l'industrie n'est généralement pas présent dans les roches sous forme métallique. Il se trouve principalement combiné à l'oxygène dans des minéraux riches en oxydes de fer, notamment l'hématite (Fe₂O₃) et la magnétite (Fe₃O₄).r

Les minerais sont exploités dans des mines à ciel ouvert ou souterraines. Après extraction, la roche est concassée et préparée afin de séparer ou de concentrer autant que possible les minéraux riches en fer.

2. Préparation et agglomération du minerai
Le concassage et le broyage produisent des fragments de différentes dimensions et des particules fines. Or, des matériaux trop fins gêneraient la circulation des gaz à l'intérieur du haut-fourneau.

Ils peuvent donc être agglomérés sous forme de matériaux suffisamment résistants et perméables aux gaz. Selon les procédés, le minerai est notamment préparé sous forme d'aggloméré ou de boulettes (pellets). Cette préparation facilite ensuite les réactions chimiques dans le haut-fourneau.

3. Minerai, coke et fondants
La charge introduite dans le haut-fourneau associe trois constituants essentiels : le minerai de fer préparé, le coke, riche en carbone, et des fondants, généralement calcaires.

Le coke joue plusieurs rôles : il contribue à produire la chaleur nécessaire au fonctionnement du four et permet la formation du monoxyde de carbone (CO), principal agent réducteur des oxydes de fer. Le calcaire aide à éliminer certaines impuretés du minerai en participant à la formation d'un laitier liquide.

4. Chargement du haut-fourneau
Les matières solides sont introduites par le sommet du haut-fourneau en couches successives. Elles descendent progressivement sous l'effet de leur poids.

À la base de l'installation, de l'air préchauffé à environ 1 000 à 1 200 °C est insufflé par des tuyères. La combustion du coke fournit une température très élevée et produit les gaz chauds qui remontent à contre-courant de la charge descendante.

5. Transformation des oxydes en fer
Au cours de leur descente, les oxydes de fer sont progressivement réduits, c'est-à-dire qu'ils perdent leur oxygène. Le monoxyde de carbone joue un rôle majeur dans cette transformation. De manière simplifiée :

oxyde de fer + monoxyde de carbone → fer + dioxyde de carbone

À température plus élevée, le carbone intervient également directement dans certaines réactions. Le fer formé fond progressivement et se charge en carbone. Simultanément, les constituants minéraux indésirables réagissent avec les fondants et forment le laitier.

6. La fonte en fusion
Dans la partie inférieure du haut-fourneau s'accumulent deux liquides qui se séparent en raison de leur différence de densité. La fonte, plus dense, occupe la partie inférieure tandis que le laitier flotte au-dessus.

La fonte est un alliage de fer contenant une proportion importante de carbone, généralement de l'ordre de 3,5 à 4,5 %. Elle est régulièrement soutirée à une température voisine de 1 450 à 1 500 °C, puis transportée vers l'aciérie ou utilisée pour produire des fontes moulées.

À retenir

Le haut-fourneau ne se contente donc pas de faire fondre un minerai. Il réalise avant tout une transformation chimique :

Minerai riche en oxydes de fer → préparation → mélange avec coke et fondants → réduction des oxydes → fusion → fonte liquide

La distinction est fondamentale : le minerai contient du fer essentiellement combiné chimiquement à d'autres éléments, notamment à l'oxygène. Pour obtenir le métal, il faut rompre ces associations. Le carbone et surtout le monoxyde de carbone formé dans le haut-fourneau permettent d'extraire l'oxygène des oxydes de fer.

Cette technologie a rendu possible la production de fer puis d'acier à très grande échelle, matériaux qui ont profondément accompagné l'industrialisation : bâtiments, ponts, chemins de fer, machines, automobiles et innombrables infrastructures en dépendent encore.

Elle présente cependant un inconvénient majeur : l'utilisation massive de coke d'origine fossile et les réactions de réduction produisent d'importantes quantités de CO₂. La sidérurgie cherche donc aujourd'hui à diminuer cette dépendance au carbone fossile, notamment par l'amélioration de l'efficacité des installations, l'utilisation accrue de ferrailles recyclées et le développement de procédés de réduction du minerai utilisant, entre autres voies, l'hydrogène.