Hauts fourneaux : une méthode prédit la déformation du minerai de fer

À l'intérieur d'un haut fourneau, les boulettes de minerai de fer se ramollissent et fondent sous le poids de la matière qui se trouve au-dessus d'elles. En se déformant, elles réduisent les espaces qui les séparent, et le gaz qui doit remonter dans le fourneau dispose de moins de place pour circuler. Des chercheurs dirigés par le maître de conférences Shungo Natsui de l'université de Tohoku ont trouvé un moyen d'observer cette déformation et de la mesurer.

Les technologies fondées sur l'hydrogène constituent une voie prometteuse vers un acier à plus faible teneur en carbone, mais les hauts fourneaux classiques resteront importants pendant la transition. Jusqu'ici, les expériences reposaient largement sur la mesure du rétrécissement global du lit et de la perte de pression du gaz. Il est donc difficile de déterminer comment les changements à l'intérieur de chaque boulette contribuent au comportement de l'ensemble du lit.

L'équipe a travaillé avec Tata Steel Europe, l'université de technologie de Delft et l'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST). Elle a mené des expériences à haute température reproduisant les conditions d'un haut fourneau, et utilisé la tomodensitométrie aux rayons X à haute énergie (CT) pour reconstituer en trois dimensions la structure interne des boulettes. Elle a ensuite recouru à une simulation particulaire appelée Moving Particle Hydrodynamics-Implicit (MPH-I) pour reproduire la déformation observée. En comparant la simulation aux images de CT, les chercheurs ont pu estimer la limite d'élasticité effective de la coque riche en fer, c'est-à-dire la contrainte que le matériau peut supporter avant de se déformer de façon permanente. Mesurer directement cette propriété dans les conditions d'un haut fourneau reste difficile.

Les boulettes évoluent par étapes. À 1 300 °C, une coque de fer métallique relativement rigide les aide à supporter la charge. À 1 400 °C, les composants formant le laitier se concentrent à l'intérieur des boulettes à mesure qu'elles se ramollissent. À 1 550 °C, elles ont suffisamment fondu pour que la matière liquide puisse s'écouler goutte à goutte.

L'avancée majeure tient au fait que les propriétés mécaniques d'une boulette peuvent être estimées à partir de sa déformation tridimensionnelle observée, et non seulement à partir du comportement de l'ensemble du lit. Les chercheurs estiment que cela pourrait aider à prédire la déformation des lits de minerai de fer et à évaluer les performances des différentes matières premières à haute température. Pour les sidérurgistes, cela ouvre la voie à une comparaison des minerais avant même leur arrivée dans le fourneau, du moins en théorie. L'équipe prévoit d'appliquer la méthode à d'autres types de minerai de fer et à des environnements riches en hydrogène, mais elle ne donne aucune échéance, et les résultats obtenus jusqu'ici proviennent d'expériences de laboratoire.