La réduction directe est, en sidérurgie, 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 , 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 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.
Histoire
Le bas fourneau
La réduction du minerai de fer sans fusion est, historiquement, le procédé le plus ancien d'obtention de l'acier. En effet, les bas fourneaux, incapables d'atteindre les températures de fusion des alliages de fer, produisent une loupe, un agglomérat hétérogène de fer métallique plus ou moins imprégné de carbone, de gangue et de charbon de bois. Ce procédé est remplacé progressivement, à partir du en Chine et du en Europe, par le haut fourneau, qui réalise simultanément la réduction et la fusion du fer..
Des bas fourneaux élaborés survivent pourtant jusqu'au début du , comme le tatara ou la forge catalane.. Face à la filière indirecte (réduction-fusion au haut fourneau, puis affinage de la fonte), ces procédés ne survivent que lorsqu'ils bénéficient d'au moins un des deux avantages suivants : une capacité à traiter des minerais incompatibles avec le haut fourneau (comme les sables ferrugineux qui colmatent les hauts fourneaux, ou les minerais générant des laitiers trop pâteux pour être vidangés) ; une taille plus « raisonnable » que les usines géantes et leurs contraintes (besoin en minerais et en capitaux, production à écouler).
La réduction directe moderne
Des procédés plus évolués de réduction directe se sont développés dès le début du , quand il devint possible de fondre les minerais préréduits avec le procédé Martin-Siemens ou le four à arc électrique. Sur ce modèle technico-économique, quelques procédés ont été industrialisés avant la Seconde Guerre mondiale (procédé Krupp-Renn adopté notamment aux aciéries Shōwa, procédé Chenot). Ils restent cependant confidentiels, leur rentabilité étant généralement discutée..
Les procédés modernes de réduction directe, fondés sur l'utilisation de gaz naturel en remplacement du charbon, sont étudiés intensivement pendant les années 1950. Le , l'entreprise mexicaine Hylsa démarre à Monterrey la première unité de production industrielle de ce type, le préréduit obtenu étant destiné à la fusion au four à arc électrique.. La production de minerai préréduit avec du gaz naturel étant économiquement viable, plusieurs usines sont construites à la fin des années 1960. Un approvisionnement en gaz naturel bon marché étant essentiel à leur rentabilité, la plupart des usines se situent dans des pays disposant de gisements de gaz, en Amérique latine (où beaucoup ont été mis au point) et au Moyen-Orient..
En 1970, la production mondiale de minerai de fer préréduit atteint . Les procédés alors opérationnels sont le procédé HYL ( produites), une unité SL/RN, une unité Purofer et la première usine mettant en œuvre le procédé Midrex.
Quoique rentables et novateurs, les procédés inventés ne s'avèrent finalement pas être une révolution technologique capable de supplanter la filière traditionnelle fondée sur le haut fourneau. Mais la quantité d'acier produite à partir de préréduits croît de manière continue, et plus vite que la production mondiale d'acier : en 1976, les installations en service totalisent moins de ; en 1985, la production annuelle est de pour une capacité installée de l'ordre de , cet écart s'expliquant par les fluctuations du coût de l'énergie. ; en 1991, la production représente . en 1995, la production mondiale de préréduits franchit la barre des pour la première fois.. en 2010, sont produites, 14 % issues des procédés HYL et 60 % du procédé Midrex. Ce dernier assure l'essentiel de la croissance de la production au gaz naturel des préréduits, même si, depuis 2005, les procédés au charbon effectuent un retour en force, essentiellement en IndeLes variantes des procédés Midrex et HYL n'ont pas fait l'objet de dénominations spécifiques, les entreprises les commercialisant tenant à rassurer sur la maturité technologique de leurs procédés. À l'inverse, les sidérurgistes indiens modifiant leurs fours rotatifs ont tenu à souligner leur originalités respectives..
Le conditionnement du minerai de fer préréduit se répartit de manière équilibrée entre les éponges de fer et les briquettes. Les éponges correspondent à un produit métallique très poreux, proche du minerai de départ mais très pyrophorique, ce qui limite leur transport. On les soumet donc souvent à un compactage à chaud, qui améliore à la fois la densité du produit et la sécurité des manutentions.. En 2012, 45 % des préréduits ont été ainsi transformés en briquettes.
Réactions chimiques
Réduction des oxydes de fer Les oxydes de fer se réduisent en suivant la séquence. :
Chaque transition d'un oxyde au suivant est due à deux réactions simultanées, à haute température, de réduction par le monoxyde de carbone CO ou par le dihydrogène :
+ Principales réactions de réduction Température Réduction par le monoxyde de carbone Réduction par l'hydrogène
Ces températures sont différentes de celles annoncées par le diagramme d'Ellingham. En réalité, il existe un couplage entre la réduction par monoxyde de carbone et le dihydrogène, qui fait que ces réactions collaborent, l'hydrogène améliorant significativement l'efficacité de la réduction par le CO.
Production des gaz réducteurs Procédés au charbon Dans les procédés au charbon, une partie du combustible est d'abord brûlée pour chauffer la charge. Le produit de cette combustion est du . Quand la température atteint , le réagit avec le carbone imbrûlé pour créer du CO :
La production de ne peut pas être obtenue par la décomposition thermique d'eau, étant donné les trop faibles températures mises en œuvre. L'hydrogène est en fait produit en même temps que du monoxyde de carbone par la réaction :
Ces deux réactions de production de gaz réducteur, qui consomment respectivement ., sont très endothermiques et interviennent en limitant l'échauffement de la charge.
Procédés au gaz naturel L'atmosphère réductrice, riche en CO et en , peut être créée à partir du craquage à haute température, vers - du gaz naturel, en présence des gaz oxydés ( et ) issus des réacteurs de réduction du minerai :
L'installation générant les gaz réducteurs est appelée « reformeur ». Dans le procédé Midrex, elle consiste en des tubes chauffés par la combustion d'une partie (environ un tiers) du gaz issu du réacteur.
Procédés Les installations de production de minerai de fer préréduit sont appelées usines de réduction directe. Le principe consiste à exposer du minerai de fer à l'action réductrice d'un gaz à haute température (environ ). Ce gaz est composé de monoxyde de carbone et de dihydrogène, dont les proportions dépendent du procédé d'obtention.
On distingue généralement deux grandes catégories de procédés (voir dans la bibliographie) . : les procédés où le gaz réducteur est obtenu à partir de gaz naturel. La réduction du minerai est dans ce cas réalisée dans des cuves ; les procédés où le gaz réducteur est obtenu à partir de charbon. Le réacteur est alors généralement un four rotatif incliné, semblable à ceux des cimenteries, dans lequel le charbon est mélangé avec du calcaire et du minerai, puis chauffé.
Une autre classification consiste à distinguer les procédés où les gaz réducteurs sont élaborés dans des installations spécifiques et distinctes du réacteur de réduction, ce qui caractérise la plupart des procédés utilisant le gaz naturel, de ceux où les gaz sont produits à l'intérieur du réacteur de fusion : les procédés au charbon se rangent généralement dans cette catégorie (voir dans la bibliographie).. Cependant, beaucoup des procédés « au gaz » peuvent être alimentés par des unités de gazéification produisant un gaz réducteur à partir de charbon ..
Par ailleurs, comme l'étape de fusion est nécessaire pour l'obtention d'alliages, il a été développé des procédés de réduction-fusion qui, comme les hauts fourneaux, produisent un métal liquide plus ou moins carburé. Enfin, beaucoup de procédés plus ou moins expérimentaux ont été développés.
+ Procédés de réduction directe En gras les procédés techniquement et commercialement éprouvés(c'est-à-dire fonctionnant de manière viable dans plusieurs contextes économiques).Gaz naturelCharbonCuves Cycliques HYL I (le plus ancien procédé industriel de réduction directe au gaz naturel) et HYL II Cornues (quelques procédés d'importance secondaire, n'ayant survécu que dans des productions spécialisées) ContinusMidrex (2/3 de la production mondiale de préréduits. (voir dans la bibliographie).) HYL III (procédé concurrent au Midrex)Variantes des procédés au gaz naturel, où le gaz peut être synthétisé à partir de charbon dans une unité supplémentaire. Lits fluidisés Beaucoup de développements récents (FINMET, CIRCORED…) mais réalisations industrielles limitéesFours tournants Soles tournantesOccasionnellement utilisé en appoint du charbon Beaucoup de procédés développés dans les années 1990, sans succès commercial Tambours rotatifs Krupp-Renn (développé dans les années 1930, 38 fours en 1945) SL/RN (développé en 1964, 45 % de la production au charbon des préréduits en 1997.) Quelques autres procédés, efficaces mais plus confidentiels succèdent au SL/RN : Kawasaki et Koho., Krupp-CODIR.…
Procédés à cuves Ces procédés consistent à mettre en contact, dans une enceinte fermée, le minerai de fer avec des gaz réducteurs produits et chauffés par une installation distincte. Par conséquent, ces procédés sont naturellement adaptés à l'utilisation de gaz naturel.
Procédés cycliques Dans ces procédés, le minerai est enfourné dans une cuve, et y reste jusqu'à sa complète réduction. La cuve est alors vidée de son minerai préréduit, et remplie par une autre charge de minerai non traité. Il s'agit donc de procédés facilement extrapolables à partir d'expériences de laboratoire. De plus, leur principe, fondé sur le traitement par lot, facilite le contrôle de l'élaboration.
Procédés au gaz naturel Dans les procédés cycliques au gaz naturel, une unité produit un gaz réducteur chaud, qui est injecté dans le réacteur. Pour assurer une utilisation continue de l'unité transformant le gaz naturel en gaz réducteur, plusieurs cuves fonctionnent en parallèle et avec un décalage dans le temps.
Le plus connu de ce type est HYL I et sa variante améliorée, le HYL II. Il s'agit du plus ancien procédé industriel de réduction directe au gaz, mis au point au Mexique en 1957 par l'entreprise Hylsa.
Cornues Il s'agit exclusivement de procédés au charbon, dont les gaz réducteurs sont générés à l'intérieur de la cuve de réduction. Le minerai est chargé avec le charbon dans une enceinte fermée. Celle-ci est alors chauffée jusqu'à ce que l'oxygène présent dans le minerai se combine avec le carbone avant d'être évacué, essentiellement sous la forme de CO ou de . Cette production de gaz par la chauffe d'un matériau solide fait que le réacteur appartient à la catégorie des cornues.