Physique des particules: comment des pellets de minerai remodelés améliorent l’efficacité des hauts fourneaux
L’acier est un élément essentiel du monde moderne, mais il a un coût environnemental élevé: l’industrie est responsable d’environ 8 % des émissions annuelles de gaz à effet de serre dans le monde. Une grande partie de ces émissions provient du fonctionnement des hauts fourneaux, dont l’usage est une étape nécessaire pour obtenir du fer brut. Un haut fourneau est en substance un réacteur géant, dans lequel sont introduits des matériaux granulaires, tels que des pellets de combustible, du minerai de fer et du calcaire. L’air chaud soufflé dans la chambre induit des modifications physiques et chimiques dans ces matériaux, ce qui débouche finalement sur la production de fer liquide. «La manière dont les matériaux granulaires sont introduits et distribués dans le haut fourneau affecte l’efficacité de l’opération en termes de consommation d’énergie et d’émissions de CO2», explique Charley Wu, chef du projet DECRON. Cependant, il est extrêmement difficile d’étudier directement cette distribution, car la chambre est revêtue de couches de briques réfractaires et fonctionne à environ 1 500 °C. «La conception des hauts-fourneaux n’a pas beaucoup évolué en 300 ans, mais étant donné la taille et la complexité du dispositif, il est impossible d’y placer des équipements d’essai expérimentaux précis», explique le chercheur Nicolin Govender. «C’est pratiquement une boîte noire.» Pour résoudre ce problème, les deux chercheurs ont appliqué une technique appelée méthode des éléments discrets (DEM pour Discrete Element Method) avec des particules de forme irrégulière sur des plateformes d’unités de traitement graphique (GPU), qui modélisent numériquement le comportement des matériaux granulaires. La DEM offre un large éventail d’applications, notamment dans la construction, l’exploitation minière, l’agriculture et même les produits pharmaceutiques, où elle permet de s’assurer que les médicaments sont mélangés uniformément avec des produits de remplissage avant d’être comprimés sous forme de pilules. Au sein de l’Université du Surrey, Charley Wu et Nicolin Govender ont examiné la manière dont la taille et la forme des pellets utilisés dans la fusion affectent la façon dont les gaz chauds circulent dans la chambre du réacteur. «Dans les hauts fourneaux, la matière est introduite par le haut, et l’air par le bas, de sorte que le garnissage granulaire affecte la façon dont le gaz passe à travers le matériau», explique Charley Wu. Le contrôle du tassement granulaire et de l’écoulement de ce gaz chaud est la clé du bon fonctionnement d’un haut fourneau. «Nous avons constaté que de nombreuses approximations assez généralement utilisées sont trop simplistes, ce qui entraîne des résultats incohérents dans le produit final», souligne Nicolin. Govender. Il ajoute également que les travaux ont permis d’identifier un certain nombre de facteurs importants, tels que l’efficacité énergétique, qui pourraient être contrôlés en modifiant la forme des pellets. Cette recherche a été entreprise avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie. «Le projet a été un succès et a généré un certain nombre de communiqués, tout en posant les bases d’autres études futures sur le matériau et la forme des granulés, et également pour les opérateurs de hauts fourneaux», souligne Nicolin Govender. Trois de ces articles figurent parmi les dix travaux les plus cités dans le domaine du génie chimique au niveau mondial. Les producteurs de métaux de l’UE sont soumis à une pression croissante de la part des opérateurs étrangers, qui bénéficient de coûts de main-d’œuvre moins élevés et de normes environnementales moins strictes. Selon Nicolin Govender, le projet montre comment les techniques de modélisation informatique du rendement pourraient potentiellement rendre l’industrie plus rentable, moins gourmande en énergie et plus verte, ce qui contribuerait à relancer la production de matières premières sur le marché européen.
Mots‑clés
DECRON, fer, minerai, haut-fourneau, four, vert, GPU, DEM, acier, CO2, granulaire, fusion
