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Auteur(s)
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Jacques ASTIER : Ingénieur-conseil - Ancien Directeur à l’Institut de recherche de la sidérurgie française (IRSID)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Depuis une vingtaine d’années, quatre faits sont devenus très marquants dans le domaine de la réduction directe des minerais de fer, qui est, comme l’on sait, la dénomination acceptée pour la réduction des minerais de fer à l’état solide (qui a pratiquement lieu en dessous de 1 000 à 1 100 oC).
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Tout d’abord, on constate la croissance des capacités et de la production mondiale des minerais de fer réduits à l’état solide, c’est-à-dire des DRI (Direct Reduced Iron) et les HBI (Hot Briquetted Iron). L’essentiel de cette expansion se fait dans les pays en développement, la part des pays industrialisés étant très limitée.
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Ensuite, on note le rôle prépondérant des procédés de réduction par le gaz naturel, par rapport à la réduction par le charbon (bien qu’il y ait des signes d’une évolution à cet égard) et par voie de conséquence, comme indiqué plus haut, le développement de la réduction directe dans les pays où le gaz naturel est abondant et bon marché, c’est-à-dire surtout dans les pays en développement.
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Puis, on remarque le développement du briquetage à chaud des minerais réduits (pour obtenir les HBI) de façon à faciliter les transports, notamment par voie maritime, avec de moindres risques de réoxydation pour créer un marché mondial des minerais réduits.
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Enfin, à côté des procédés devenus maintenant classiques, c’est-à-dire basés sur le gaz naturel et le four à cuve (MIDREX et HYL), on constate qu’il y a toujours des activités de recherches et développement, mais plus pour améliorer les procédés existants que pour créer de nouveaux procédés.
Ces quatre points constituent les principales parties de cet article qui seront précédées du rappel des bases scientifiques de la réduction des minerais de fer à l’état solide et suivies d’une conclusion sur les avantages, les difficultés et l’avenir de la réduction directe.
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Développement mondial de la réduction directe1. Principe de la réduction directe
Cette réduction, ou plutôt, cette désoxydation des minerais de fer, c’est-à-dire des oxydes de fer, doit être examinée des quatre points de vue suivants :
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les aspects stœchiométriques des réactions chimiques correspondantes, qui vont donner les besoins théoriques de tous les réactifs et, notamment, des agents réducteurs ;
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les aspects thermochimiques de ces mêmes réactions, qui vont conduire aux bilans énergétiques théoriques ;
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les équilibres qui s’établissent dans la réduction des oxydes de fer par les gaz ;
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et les aspects cinétiques de ces réactions.
1.1 Aspects stœchiométriques
Ce premier point de vue, qui est d’ailleurs le plus simple, va permettre de déterminer exactement les besoins de la réduction ou, pour être encore plus précis, de la désoxydation d’un minerai de fer.
Les minerais Minerais et fondants ne contiennent, en général, le fer que sous forme d’hématite Fe2O3 ou de magnétite Fe3O4 ; FeO est, en général, combiné en carbonate ou silicates (tableau 1).
Les réactions, très élémentaires, sont indiquées aux tableaux 2 et 3 ; elles montrent combien il faut de réducteur pour réduire le minerai de fer.
l’examen du tableau 2 montre que les besoins stœchiométriques pour réduire 1 tonne de fer à partir de Fe2O3 sont d’environ :
602 Nm3 de H2 (ou 54 kg)
ou 602 Nm3 de CO (ou 750 kg)
si l’on fait la réduction par le carbone, il faudra (tableau 3) :
322 kg de C si l’on produit CO
161 kg de C si l’on aboutit à CO2.
La réduction n’est, en général, pas complète, ce qui fait que l’on parle de préréduction et l’on définit souvent :
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un degré de réduction R :
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