Comment fonctionne la production d'acier

L'acier désigne des alliages dont le principal composant est le fer, avec une teneur en carbone inférieure à 2 % (distinction avec la fonte). Pour obtenir certaines propriétés mécaniques et physiques, des éléments tels que le chrome, le manganèse, le silicium, le nickel et le molybdène sont ajoutés. La composition chimique dépend du profil de propriétés souhaité ou de l'application spécifique, par exemple dans l'industrie automobile ou la fabrication d'outils. 

• Fer (Fe) : Le matériau de base qui forme la structure de l'acier. Le fer est naturellement relativement mou et possède une faible résistance à la traction, ce qui le rend inadapté à de nombreuses applications sans traitement supplémentaire. 
• Carbone (C) : L'ajout de carbone au fer est l'étape cruciale qui confère à l'acier ses propriétés spécifiques. Le carbone augmente la dureté et la résistance de l'acier en formant des carbures et influence la structure du matériau, le rendant plus résistant et ductile. 

La teneur en carbone de l'acier affecte à la fois la résistance et la malléabilité du matériau. Une teneur plus élevée en carbone produit un acier plus dur, mais moins ductile, tandis qu'une teneur plus faible augmente la malléabilité tout en réduisant la dureté.

L'industrie sidérurgique possède une longue et dynamique histoire remontant à l'Antiquité. Les premiers produits en acier connus datent du 3e siècle avant J.-C. en Inde, où l'acier Wootz a été développé. Ce type d'acier primitif se distinguait par sa dureté et sa ténacité, et était utilisé pour les armes et les outils. La technologie s'est répandue au fil des siècles, notamment en Europe, où l'utilisation de hauts fourneaux au Moyen Âge a conduit à la production de masse de fer. 

Au 19e siècle, la révolution industrielle a transformé la production d'acier avec l'introduction de nouvelles technologies. L'invention du procédé Bessemer (1856) a permis la conversion économique de la fonte en acier, marquant un grand progrès pour l'industrie. Ce procédé a jeté les bases de la production moderne d'acier, qui a été perfectionnée dans les décennies suivantes avec le développement du procédé Thomas et du procédé à l'acier électrique. 

Une innovation importante est le développement du four à arc électrique (EAF), un procédé introduit au début du 20e siècle et continuellement amélioré depuis. L'intégration des processus de recyclage et le développement de méthodes de fabrication efficaces ont contribué à réduire l'impact environnemental et à utiliser les ressources plus efficacement. Aujourd'hui, le secteur est confronté au défi de réduire son empreinte écologique tout en répondant à la demande de produits en acier.

La production d'acier se fait principalement selon deux procédés : la voie du haut fourneau et la voie du four à arc électrique. Ces deux méthodes ont leurs processus spécifiques, leurs avantages et inconvénients, qui sont décrits ci-dessous. La voie du haut fourneau est une méthode traditionnelle de production d'acier, principalement utilisée dans la production de masse. Dans un haut fourneau, le minerai de fer, le coke et des fondants comme le calcaire sont superposés et chauffés par de l'air chaud. 

Le procédé commence par l'alimentation soigneuse des matières premières dans le haut fourneau. Le minerai de fer, principal composant, est généralement constitué d'oxydes de fer comme l'hématite ou la magnétite. Le coke, dérivé du charbon, sert de réducteur et de combustible dans le four, libérant du monoxyde de carbone (CO) lors de sa combustion, ce qui permet la réduction du minerai de fer à des températures allant de 1 200 à 1 600 degrés Celsius. 

Les fondants comme le calcaire lient les impuretés du minerai et forment des scories, qui flottent sur le fer en fusion, facilitant ainsi la séparation des éléments indésirables. Le fer en fusion, appelé fonte brute, contient généralement environ 3-4 % de carbone et des impuretés comme le silicium et le phosphore, qui doivent être éliminées dans des processus ultérieurs. 

Le processus présente une capacité de production élevée mais est très énergivore et génère des émissions importantes de CO2, posant un défi pour la durabilité de la production d'acier. 

La voie du four à arc électrique a gagné en importance ces dernières décennies. Ce procédé utilise un courant électrique pour générer un arc entre des électrodes, qui fond le matériau métallique recyclé. Le processus commence par la collecte soigneuse de ferrailles d'acier, qui sont ensuite fondues dans un four à arc électrique. La température atteint souvent 1 600 degrés Celsius ou plus, permettant une fonte rapide et efficace des ferrailles. 

Un avantage essentiel de cette méthode est sa moindre empreinte environnementale, car elle utilise moins de combustibles fossiles et repose souvent sur des matériaux recyclés. Cela permet également une production flexible de petites quantités.

Les propriétés de l'acier peuvent être considérablement influencées par l'ajout d'éléments d'alliage. Les éléments d'alliage les plus courants sont le carbone, le manganèse, le chrome, le nickel et le vanadium.

Carbone : c'est le principal élément qui confère à l'acier sa résistance et sa dureté. Des teneurs en carbone plus élevées permettent d'obtenir un acier plus dur, mais peuvent également réduire la ténacité. La teneur en carbone peut être contrôlée par différents procédés afin d'obtenir les propriétés souhaitées.

Manganèse : améliore la résistance et la ténacité et aide à stabiliser les propriétés de l'acier à haute température. Le manganèse agit également comme un dégraissant qui réduit les impuretés pendant le processus de fusion.

Chrome : il améliore la résistance à la corrosion et la dureté de l'acier. C'est un composant essentiel de l'acier inoxydable, qui est largement utilisé dans de nombreuses applications, des appareils ménagers aux projets de construction.

Nickel : il confère de la ténacité à l'acier et améliore sa résistance à la corrosion. L'acier au nickel est souvent utilisé dans l'industrie de la construction, en particulier dans les domaines où les exigences en matière de solidité et de résistance à la corrosion sont élevées.

Vanadium : Utilisé pour améliorer la résistance et la ténacité, il joue un rôle important dans les aciers à hautes performances utilisés dans des applications exigeantes comme l'aéronautique et la construction mécanique.

Le choix des bons éléments d'alliage est essentiel pour répondre aux exigences spécifiques de différentes industries, de l'automobile à la construction. Les entreprises investissent dans la recherche et le développement afin de découvrir de nouvelles formulations d'alliages qui offrent des propriétés spécifiques tout en favorisant les pratiques durables.

L'intégration de matériaux recyclés est un aspect important du circuit des fours électriques à arc. L'acier est le matériau le plus recyclé au monde et l'utilisation de ferraille réduit non seulement le besoin en nouvelles matières premières, mais aussi l'impact environnemental de la production d'acier. L'utilisation de matériaux recyclés permet de réduire la consommation d'énergie, ce qui contribue à une diminution significative des émissions de CO2.

L'économie circulaire dans l'industrie sidérurgique favorise la réutilisation et le recyclage des matériaux, ce qui est essentiel pour le développement durable. La capacité de transformer les anciens produits en acier en nouveaux produits sans compromettre la qualité du produit final est un facteur important pour la production future d'acier. Les entreprises ont de plus en plus recours à des technologies qui collectent et traitent les ferrailles provenant de différentes sources afin de garantir une qualité élevée de l'acier recyclé.

Par exemple, en 2022, environ 2,0 millions de tonnes de ferraille ont été recyclées par Swiss Steel Group, ce qui en fait également l'une des principales entreprises européennes de recyclage.

Un autre point décisif du recyclage de la ferraille réside dans la récupération et la réutilisation d'éléments d'alliage tels que le chrome, le nickel et le molybdène, qui sont souvent contenus dans les aciers inoxydables. L'utilisation ciblée de ferraille alliée réduit le besoin en matières premières primaires nouvellement extraites, dont la production est gourmande en énergie.