Haut-fourneau
Pour ceux qui, comme moi, sont originaires d’une région industrielle, les cheminées des haut-fourneaux sont des éléments tellement banals du paysage qu’on en oublie de se poser des questions sur leur utilité et leur mode de fonctionnement.
Les haut-fourneaux sont des installations industrielles destinées à transformer le minerai de fer en fonte, un alliage de fer et de carbone contenant entre 2 et 4% de carbone.
La maîtrise de la métallurgie du fer a entraîné une véritable révolution à la préhistoire et on qualifie d’âge du fer la période historique qui suit. Il semble que les premiers à avoir maîtrisé cette technique complexe soient les Hittites au XVème siècle avant notre ère. Les Celtes, alors cantonnés dans la région de Halstatt (entre le -1200 et -500) sont passés maîtres dans la maîtrise de la métallurgie à la suite des Hittites. C’est ce qui a conduit à la diffusion de la culture de la Tène à partir de -500 à travers toute l’Europe occidentale (second âge du fer). On utilise alors la technique dite du bas-fourneau : un foyer (à l’origine un simple trou dans le sol), surmonté d’une cheminée et dans lequel on brûle du charbon de bois et du minerai. La température atteinte dans ces bas-fourneaux dépasse rarement 1000°C. Le fer est partiellement réduit (au sens chimique du terme) mais il n’est pas fondu (la température de fusion du fer est de 1535°C). Il sort sous la forme d’une loupe incandescente, un bloc de métal de qualité médiocre.
Les chinois sont les premiers à parvenir à fondre le fer (dynastie des Han). Les loupes issues de bas-fourneaux sont placées dans un second four dont la ventilation a été améliorée. La combustion du charbon de bois imprègne le métal de carbone. Le mélange ainsi obtenu est de la fonte, plus facile à fondre que le fer (la température de fusion de la fonte est de 1135°C pour une teneur de 4% en carbone).
C’est en Angleterre au début du XVIIIème siècle que les haut-fourneaux vont apparaître. Les haut-fourneaux sont des fourneaux à coke. La houille était peu utilisée jusqu’alors dans la sidérurgie, la fonte obtenue étant de très mauvaise qualité en raison de sa teneur en silicium et surtout en soufre. Le coke est en grande partie débarrassé des impuretés de la houille par pyrolyse. Il faudra un siècle pour que le procédé soit tout à fait au point et pour qu’il se généralise en Europe et aux Etats-Unis. Les haut-fourneaux et la sidérurgie sont emblématiques de la révolution industrielle du XIXème siècle.
Le haut-fourneau a deux fonctions : il permet de réduire les oxydes de fer qui constituent le minerai et de fondre le fer pour produire de la fonte de bonne qualité. L’opération commence par la combustion du coke :
Cette réaction produit une très forte chaleur qui contribue à porter le minerai à haute température. A haute température le carbone et le dioxyde de carbone sont en équilibre avec le monoxyde de carbone :
La forte dissipation de chaleur permet par ailleurs une autre réaction entre le carbone et la vapeur d’eau :
Le monoxyde de carbone est un réducteur puissant :
Ces trois réactions permettent d’ôter 65% de l’oxygène contenu dans le minerai. Le carbone intervient également en réduisant directement l’oxyde de fer :
Il en va de même dans une moindre mesure pour l’hydrogène :
Le coke ne réduit pas que le fer. Il réduit aussi les oxydes de manganèse, la silice et le carbonate de calcium… Le manganèse et le silicium se retrouvent partiellement dans la fonte dont ils altèrent les propriétés. La chaux vive produite par la réduction du carbonate de calcium, contribue quant à elle à débarrasser le fer du soufre :
Cette réaction de désulfuration se produit à très haute température et elle est concomitante de la carbonatation du fer par le carbone résiduel. Le produit final est de la fonte dont la teneur en carbone est comprise entre 2% et 4%. Les autres produits constituent ce que l’on appelle le laitier, un matériau utilisé dans la fabrication du ciment.
