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Prix de l'inventeur européen

Mettre les fers au feu

Sanghoon Joo

Sanghoon Joo, Myoungkyun Shin, Martin Schmidt, inventeurs d’une nouvelle façon de fabriquer de l’acier

Depuis des milliers d’années, l’humanité n’a eu de cesse de perfectionner la technique de production de l’acier. Mais alors que les ressources naturelles s’épuisent et que les législations environnementales se renforcent, un groupe de scientifiques redéfinit la production de l’acier avec une alternative de nouvelle génération au haut-fourneau traditionnel, plusieurs fois séculaire.

Une faim mondiale d’acier

Aujourd'hui, il semble que presque tout ce que nous utilisons soit constitué d'acier ou fabriqué avec de l'acier. On en trouve pratiquement partout, des automobiles aux téléphones mobiles, des téléviseurs aux télescopes. La polyvalence unique de ce métal, combinée à la croissance rapide des pays asiatiques fortement peuplés, est la raison pour laquelle la production mondiale d'acier a atteint près de 1,5 milliard de tonnes en 2011. L'Association mondiale de l'acier prévoit que la poursuite de cette forte demande fera faire un bond de 25 % supplémentaires d'ici 2015.

Mais plus d'acier signifie plus de polluants dans l'air, alors que le secteur du fer et de l'acier est déjà responsable de 27 % de la totalité des émissions industrielles de CO2 et de 5 % de tous les gaz à effet de serre générés par l'homme.

Cela fait des producteurs d'acier une cible privilégiée par les lobbyistes agissant au nom de pratiques industrielles plus propres. L'une des voies vers lesquelles les aciéristes se tournent pour respecter des contrôles environnementaux toujours plus stricts est la suppression progressive du haut-fourneau traditionnel, inventé au XVIe siècle et considéré par tous pendant plus d'un siècle comme le moyen le plus efficace de produire de l'acier.

Simplifier le procédé de fusion

Sanghoon Joo

L'énorme quantité d'acier produite tous les ans - sans parler de ses innombrables applications et produits finals - signifie que même le changement le plus léger dans sa production peut avoir un impact significatif.

Face à cette situation, l'aciériste coréen POSCO, en collaboration avec la société autrichienne Siemens VAI, a demandé à ses meilleurs inventeurs de concevoir une façon de simplifier le procédé de fusion. Ils ont mis au point un nouveau procédé appelé FINEX, clin d'œil à la forme granulaire des fines de minerai de fer utilisées pour produire en une seule étape du fer fondu en passe de devenir de l'acier.

Alors que les hauts-fourneaux conventionnels font appel aux processus de cokéfaction et de frittage afin d'obtenir du charbon suffisamment purifié pour faire fondre le minerai de fer, le nouveau procédé supprime complètement le besoin en coke onéreux et évite totalement les processus de production de coke.

Le procédé FINEX renonce également au charbon poisseux et onéreux qui ne compte que pour 15 % des réserves mondiales, pour opter pour du charbon de qualité inférieure, plus abondant puisqu'il représente les 85 % restants. Il permet de produire la même qualité d'acier pour les trois quarts du prix.

Un acier plus durable

Le procédé FINEX est une réussite commerciale et environnementale. Une réduction de 25 % des coûts d'exploitation représente une aubaine en terme de profits. Non seulement les ressources naturelles limitées sont épargnées, mais en raison des réactions métallurgiques qui se produisent dans une atmosphère fermée, Joo, Shin et Schmidt ont aussi éliminé presque entièrement les émissions de soufre, d'oxyde d'azote et de poussière - polluants qui contribuent au changement climatique.

En fait, quelque 99 % de ces sous-produits gazeux sont capturés par le procédé FINEX et utilisés pour la production d'électricité, ce qui supprime totalement les déchets. Résultat, cette nouvelle technique de production nécessite 2,5 gigajoules (GJ) de moins que le haut-fourneau traditionnel pour fabriquer une tonne d'acier.

Cela signifie que les aciéries de Pohang en Corée du Sud, avec une capacité de production annuelle de 1,5 million de tonnes, ont besoin d'environ 3,75 millions de GJ de moins que si elles utilisaient le procédé traditionnel. La nouvelle technique émet également environ 12 % de CO2 en moins dans l'air chaque année, ce qui représente un gain de près de 350 000 tonnes.

Ce chiffre est considérable, surtout si l'on considère que les aciéries ont produit suffisamment d'acier pour quelque 250 millions de voitures depuis leur construction dans les années 1970.

L’aciérie du futur

Le traitement préliminaire des matières premières étant supprimé, construire des usines dotées du procédé FINEX coûte 8 % de moins que les hauts-fourneaux de la même échelle. POSCO a installé sa première usine expérimentale avec le nouveau système en Corée du Sud en mai 2003. Quatre années plus tard, les investissements consacrés à la recherche et au développement du procédé FINEX avoisinaient déjà les 600 millions de dollars.

En 2009, une deuxième installation commerciale était opérationnelle en Inde avec une capacité annuelle de 1 500 000 tonnes, et la construction d'une autre usine en Corée du Sud, d'une valeur de quelque 1,2 milliard de dollars, a débuté fin 2011. Elle devrait être opérationnelle en juillet 2013.

Plusieurs producteurs d'acier dans le monde ont développé des technologies concurrentes pour remplacer leurs hauts-fourneaux vieillissants, mais une seule autre société - l'usine australienne HISMELT avec une capacité de production de 800 000 tonnes par an - a commercialisé avec succès sa technologie de nouvelle génération, à tel point qu'elle a pu abandonner totalement ses hauts-fourneaux.

POSCO prévoit que d'ici la fin de l'année 2013, sa capacité de production annuelle avec la technologie FINEX atteindra 4,1 millions de tonnes - un quart de ce que l'aciériste produit en un an.

Le fait que POSCO puisse définitivement arrêter d'importer ses technologies essentielles d'autres producteurs d'acier voisins plus avancés est suffisant pour conduire la société à penser que sa nouvelle technologie lui apportera un avantage concurrentiel pour les prochaines décennies.
POSCO prévoit que d’ici la fin 2013, sa capacité de production annuelle avec la technologie FINEX atteindra 4,1 millions de tonnes – un quart de ce que l’aciériste produit en un an.

Comment ça marche

Le fer est présent uniquement sous forme d'oxydes dans la croûte terrestre, et ces minerais doivent être réduits pour extraire le fer métallique de la roche. Dans le procédé de Joo, Shin et Schmidt, les fines de minerai de fer traversent une série de réacteurs à lit fluidisé dans un four, où elles sont chauffées et réduites par des réactions chimiques catalysées par un gaz de réduction spécial circulant en sens inverse.

À la sortie du réacteur final, le fer fondu est transféré dans un four de fusion et de gazéification, où a lieu le processus de fusion. Du charbon non cokéfiant pulvérisé est introduit par le dôme de ce four, où il est transformé en gaz et injecté avec de l'oxygène dans la cuve située en dessous pour accélérer la fusion.

Une partie du gaz est cependant recyclée à travers les réacteurs à lit fluidisé pour jouer le rôle du gaz de réduction susmentionné. Le procédé entier permet de réduire les coûts de production de métal chaud d'environ 15 % par tonne parce qu'il fait appel à des matériaux de qualité inférieure, bon marché plutôt qu'à du charbon cokéfiant onéreux.

Pas d’acier ? Pas de gratte-ciel

Dans le Chicago du XIXe siècle, les ensembles urbains étaient encore construits en bois. Quand le grand incendie a détruit la ville en 1871, ces structures vulnérables n'avaient aucune chance. Aussi, quand architectes et bâtisseurs ont commencé à littéralement reconstruire une grande partie de la ville totalement rasée, ils sont passés à des matériaux moins inflammables pour créer de nouveaux immeubles.

La pierre a donné de piètres résultats : les murs en pierre devaient être bien plus épais pour empêcher le bâtiment de s'effondrer sous son propre poids.

C'est en 1885 que l'ingénieur William Jenny a découvert que les ossatures de bâtiments en fer, et par la suite en acier, offraient la même stabilité que la pierre sans son épaisseur rédhibitoire.

Aujourd'hui, le secteur du logement et de la construction absorbe 50 % de la production mondiale d'acier. En 2011, la quantité d'acier produite a atteint 1527 mégatonnes (Mt) - contre 28,3 Mt en 1990. Partout dans le monde, l'industrie de l'acier emploie directement plus de 2 millions de personnes.

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