Augmentation de l’oxygène dans les hauts-fourneaux

L’avantage oxygène dans la sidérurgie moderne

La fabrication de fonte dans les hauts-fourneaux n’a pas fondamentalement évolué depuis des siècles. Du coke, du minerai de fer et des fondants entrent par le haut ; du fer liquide et des laitiers sortent par le bas ; de l’air chaud est insufflé par les tuyères. Toutefois, les détails techniques ont considérablement évolué, et l’enrichissement en oxygène figure parmi les améliorations les plus significatives des cinquante dernières années.

L’injection d’oxygène dans le vent de la cuve à haut fourneau — portant la teneur en oxygène de l’air comburant de 21 % à 25 % ou plus — transforme le comportement thermique et chimique du four. L’effet immédiat est une élévation de la température de la flamme, ce qui accélère les réactions de réduction convertissant l’oxyde de fer en fer métallique. Les effets secondaires comprennent une augmentation de la productivité, une réduction de la consommation de coke et une diminution des émissions de CO₂ par tonne de fer produite.

Comment l’oxygène modifie la thermodynamique du four

Le calcul est simple, mais les implications sont profondes. L’air contient environ 79 % d’azote, qui traverse le four sans participer aux réactions. Cet azote absorbe de la chaleur — une chaleur qui pourrait autrement servir à réduire le minerai de fer. Lorsque l’oxygène remplace l’azote dans le vent, moins de chaleur est gaspillée pour chauffer un gaz inerte. La température de la flamme augmente, et le four peut traiter davantage de minerai avec le même taux de coke.

Pour chaque augmentation de 1 % de l’enrichissement en oxygène, la température de la flamme augmente d’environ 50 °C. À un taux d’oxygène de 25 %, la température de la flamme atteint environ 2 200 °C, contre environ 2 000 °C à 21 %. Cette flamme plus chaude permet plusieurs améliorations opérationnelles : des débits d’injection plus élevés de charbon pulvérisé, une réduction de la consommation de coke et une augmentation du débit de production.

L’inconvénient est que l’enrichissement en oxygène accroît également la sensibilité du haut-fourneau aux perturbations. Un haut-fourneau fonctionnant à 25 % d’oxygène possède une inertie thermique moindre qu’un haut-fourneau fonctionnant à 21 %. Les opérateurs doivent exercer un contrôle plus strict sur la répartition de la charge, la température de l’air chaud et la teneur en humidité afin de garantir un fonctionnement stable.

Gains de productivité : ce que montrent les données

L’impact de l’enrichissement en oxygène sur la productivité est bien documenté. Des données industrielles provenant d’usines sidérurgiques intégrées montrent que chaque augmentation de 1 % de l’enrichissement en oxygène entraîne une hausse d’environ 3 à 4 % du débit de production, à condition que la température du vent chaud reste stable et que la qualité de la charge demeure constante. À un taux d’enrichissement de 25 % en oxygène, cela se traduit par un gain de productivité de 12 à 16 % par rapport au fonctionnement à l’air naturel.

La réduction de la consommation de coke est particulièrement avantageuse. Le coke constitue la matière première la plus coûteuse dans le procédé du haut fourneau, et sa production génère des émissions importantes de CO₂. Une diminution de 5 % de la consommation de coke dans une aciérie produisant 2 millions de tonnes d’acier par an permet d’économiser annuellement environ 5 millions de dollars américains sur les coûts liés au coke, ainsi qu’une réduction proportionnelle de l’empreinte carbone.

Mise en œuvre concrète : usine sidérurgique intégrée du nord de la Chine

Une grande aciérie intégrée située dans le nord de la Chine a mis en œuvre, sur une période de dix-huit mois, un programme progressif d’enrichissement en oxygène. L’installation disposait déjà d’une unité de séparation de l’air produisant de l’oxygène pour d’autres procédés, mais n’injectait pas auparavant d’oxygène dans le courant d’air chaud du haut fourneau. Le projet comprenait l’installation de lances d’injection d’oxygène au niveau des tuyères, la modernisation du système de commande afin de gérer le débit supplémentaire d’oxygène, et la formation des opérateurs aux nouveaux paramètres de fonctionnement.

Les résultats se sont révélés mesurables dès le premier trimestre. La production a augmenté de 11 % avec un enrichissement en oxygène porté à 24,5 %, tandis que la consommation de coke a diminué de 7 %. L’aciérie a obtenu ces gains sans investissement important en capital : l’oxygène était déjà produit, et les modifications apportées au haut fourneau étaient relativement modestes. La période d’amortissement, calculée sur la base des coûts de production et d’injection d’oxygène comparés aux économies réalisées sur le coke et à la valeur ajoutée issue de la hausse de la production, était inférieure à douze mois.

Il y avait des défis opérationnels. Le haut-fourneau nécessitait une surveillance plus fréquente de la répartition de la charge afin d’éviter le canalage — un phénomène où les gaz s’écoulent de façon préférentielle à travers certaines zones, provoquant une réduction inégale et une éventuelle formation d’échafaudages. L’équipe opérationnelle a ajusté les schémas de chargement supérieurs sans cloche pour compenser, et le haut-fourneau s’est stabilisé dans les six semaines suivant l’injection initiale d’oxygène.

Considérations relatives à l’approvisionnement en oxygène pour l’injection dans le haut-fourneau

L’oxygène destiné à l’enrichissement du haut-fourneau provient généralement soit d’une unité locale de séparation de l’air, soit d’un approvisionnement par canalisation. La pureté requise est modeste comparée à d’autres applications de l’oxygène : 90 à 95 % d’oxygène suffisent pour l’injection dans le haut-fourneau, tandis que les applications médicales ou semi-conductrices exigent 99,5 % ou plus. .

Cette exigence moindre en matière de pureté élargit les options d’approvisionnement. Les systèmes d’adsorption à pression variable sous vide (VPSA) peuvent produire de l’oxygène à 90–95 % de pureté à moindre coût d’investissement et d’exploitation que la séparation cryogénique de l’air, bien qu’ils soient généralement limités à des capacités plus modestes. Pour les usines plus importantes, les unités de séparation cryogénique de l’air (ASU) restent la norme : elles produisent de l’oxygène à une pureté supérieure à 99,5 % et offrent la souplesse de produire également de l’azote et de l’argon.

Le système d’injection d’oxygène lui-même exige une conception rigoureuse. L’oxygène doit être acheminé à une pression suffisante pour vaincre la contre-pression du haut-fourneau, généralement comprise entre 3 et 5 bar. Les lances d’injection doivent être conçues pour résister aux températures élevées au niveau des tuyères — environ 2 000 °C — et le débit d’oxygène doit être contrôlé avec précision afin de maintenir le taux d’enrichissement souhaité.

Considérations de sécurité liées à la manipulation de l’oxygène

L’enrichissement en oxygène soulève des considérations de sécurité qui méritent une attention particulière. L’oxygène favorise la combustion plus vigoureusement que l’air, et toute fuite ou tout contact non intentionnel avec des hydrocarbures peut créer un risque d’incendie. Les canalisations d’injection d’oxygène doivent être conçues conformément aux normes applicables aux installations fonctionnant à l’oxygène, avec des exigences strictes en matière de propreté et des matériaux de construction adaptés.

Les normes industrielles traitent directement de ces préoccupations. La norme CGA G-4.1 de la Compressed Gas Association fournit des orientations complètes sur le nettoyage et la conception des systèmes à oxygène. La norme ASME B31.3 couvre les exigences relatives aux canalisations destinées à un service à l’oxygène, y compris la sélection des matériaux et la conception des raccords.

Les installations mettant en œuvre un enrichissement en oxygène doivent effectuer un examen approfondi des dangers avant la mise en service, en couvrant notamment les scénarios de fuite potentielle, les procédures d’arrêt d’urgence et la formation des opérateurs. Ces risques sont maîtrisables grâce à des dispositifs techniques appropriés et à des procédures de fonctionnement adéquates.

Quand l’enrichissement en oxygène est pertinent — et quand il ne l’est pas

L’enrichissement en oxygène n’est pas universellement bénéfique. Son intérêt économique dépend du coût de l’oxygène, du prix du coke et de la valeur de la production supplémentaire. Les aciéries disposant d’une production locale d’oxygène — notamment celles dotées d’une capacité excédentaire d’unité de séparation de l’air (ASU) — constituent des candidates naturelles. En revanche, les aciéries dépourvues d’approvisionnement en oxygène doivent prendre une décision d’investissement : installer une unité ASU ou une unité VPSA, ou accepter la productivité inférieure liée au fonctionnement à l’air ambiant.

Des considérations spécifiques au haut-fourneau entrent également en jeu. Pour les hauts-fourneaux fonctionnant à proximité de leur capacité maximale de production, l’enrichissement en oxygène offre peu de marge de progression — le goulot d’étranglement se déplace alors vers les procédés en aval, tels que les convertisseurs à oxygène basique ou la coulée continue. Dans ces cas, l’enrichissement en oxygène pourrait ne pas générer le gain de productivité escompté.

Pour les hauts-fourneaux confrontés à des contraintes d’approvisionnement en coke ou à des coûts élevés de coke, la rentabilité s’améliore. Chaque tonne de coke économisée correspond à une tonne non achetée, non transportée et non chargée dans le haut-fourneau.

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