Le procédé Krupp-Renn est un procédé sidérurgique de réduction directe utilisé pendant les années 1930 à 1970. Fondé sur l'utilisation d'un four rotatif, il s'agit d'un des rares procédés de réduction directe ayant connu un succès technique et commercial dans le monde.
À l'instar de la majorité des procédés de réduction directe, il est une alternative aux hauts fourneaux, dont la rentabilité est pénalisée par la consommation de coke. Consommant essentiellement de la houille, le procédé Krupp-Renn a la particularité de réaliser une fusion partielle de la charge enfournée. Ainsi, il est approprié au traitement des minerais pauvres ou infusibles, car leur gangue génère un laitier protecteur et facile à séparer du fer. Il produit des nodules de minerai de fer préréduit, les , qui peuvent être facilement refondus.
Les premiers fours industriels apparaissent au cours des années 1930, dans l'Allemagne nazie puis dans l'empire du Japon. Dans les années 1950, quelques usines neuves sont construites, notamment en Tchécoslovaquie et en Allemagne de l'Ouest. Le procédé est abandonné au début des , non sans avoir engendré quelques variantes.
Peu productif, difficile à maîtriser et pertinent uniquement avec des minerais particuliers, le procédé ne survit plus, au début du , qu'au Japon où, sous une forme modernisée, il permet la production de ferronickel.
Histoire
Mise au point
Le principe de la réduction directe du minerai de fer par un brassage à haute température de poudre de minerai mélangée avec du charbon, avec un peu de calcaire pour diminuer l'acidité du minerai, a été testé dès la fin du . On peut notamment relever le procédé de réduction directe de Carl Wilhelm Siemens., utilisé de manière épisodique aux États-Unis et au Royaume-Uni dans les années 1880. Ce procédé est fondé sur l'utilisation d'un court tambour de de diamètre et autant de long, d'axe horizontal, où sont insufflés des gaz préchauffés par deux régénérateurs..
L'utilisation de four tubulaire rotatif en métallurgie, inspiré de ceux utilisés en cimenterie, suscite alors de nombreuses recherches. Le procédé Basset, développé dans les années 1930, permet même de produire de la fonte en fusion.. Le métallurgiste allemand Friedrich Johannsen, chef du département métallurgie à l'usine Gruson et professeur à l'École des mines de Clausthal., s'intéresse, dans les années 1920, aux applications métallurgiques de ce type de four. Il dépose une série de brevets relatifs au retrait des métaux volatils indésirables présents dans les matières premières sidérurgiques..
Dans les années 1930, Johannsen commence à mettre au point la production de fer par réduction directe. La première installation est essayée de 1931 à 1933, dans l'usine Gruson à Magdebourg.. Les recherches se déroulent également à l'usine Krupp de Essen-Borbeck, jusqu'en 1939. Le procédé, baptisé « Krupp-Renn », fait référence à l'entreprise Krupp, qui l'a développé, et au , qui désigne le bas fourneau.. Il est prometteur et, à partir de 1932, Krupp dépose des brevets hors d'Allemagne afin de protéger l'invention ..
Adoption
En 1945, on recense 38 fours. Quoiqu'ils ne totalisent alors qu'une capacité de , ils sont présents partout dans le monde.. En Allemagne, le procédé avait été favorisé par la politique d'autarcie du régime nazi, qui privilégiait l'utilisation des minerais de fer nationaux de mauvaise qualité, plutôt que la rentabilité.. L'empire du Japon bénéficie d'un transfert de technologie dans le contexte des liens entre l'Allemagne nazie et le Japon impérial. Des fours sont installés dans la sphère de coprospérité et les techniciens japonais s'approprient le procédé. À la veille de la guerre du Pacifique, les Japonais l’exploitent dans 4 aciéries..
Après la Seconde Guerre mondiale, toutes les installations en Allemagne, en Chine et en Corée sont démantelées. Parmi celles-ci, 29 sont envoyées en URSS comme réparation de guerre.. Seules les installations tchécoslovaques et japonaises demeurent intactes.
Dans les années 1950, Krupp reconstruit quelques gros fours, notamment en Espagne, Grèce et Allemagne. Tout particulièrement, les Tchécoslovaques s'en font les principaux promoteurs, en construisant 16 fours et en améliorant l'efficacité du procédé.. Selon la Grande Encyclopédie soviétique, plus de 65 installations industrielles ( de long et de diamètre) sont construites des années 1930 à 1950. En 1960, 50 fours fonctionnent dans divers pays, produisant ..
Disparition
L'URSS, qui récupère 29 fours comme dommage de guerre n'en tire guère de profit. En effet, Mais la sidérurgie russe est assez peu dépendante de l'apport technologique de l'Ouest., et le bloc de l'Est n'entretient finalement guère cette technologie marginale que dans les pays d'Europe récemment soviétisés., où elle est aussi progressivement abandonnée.
En Allemagne de l'Ouest, les gros fours reconstruits dans les années 1950 fonctionnent une dizaine d’années avant d'être arrêtés, victimes du faible coût des ferrailles et du minerai importé. Le procédé disparaît alors de l'Allemagne de l'Ouest, en même temps que de l'Europe de l'Ouest.
Au Japon, les fours évoluent eux aussi vers des outils de plus en plus gros. Mais là aussi, l'épuisement des gisements locaux de sables ferrugineux, combiné au faible coût des ferrailles et des minerais importés, amène à l'abandon progressif du procédé. Pour autant, les Japonais l'améliorent régulièrement, le faisant évoluer sous d'autres appellations et sur des productions spécialisées, comme les ferroalliages ou la valorisation de sous-produits sidérurgiques.. Au début du , il n'y a qu'au Japon que le procédé Krupp-Renn est explicitement utilisé pour la production de ferronickel..
En 1972, la plupart des usines tchécoslovaques, japonaises et ouest-allemandes ne fonctionnent plus : le procédé est considéré comme globalement obsolète et ne retient plus l'attention des industriels.
Procédé
Principes généraux
Le procédé Krupp-Renn est un procédé de réduction directe dont le réacteur est un long four tubulaire identique à celui utilisé dans les cimenteries. Dans les dernières unités construites, celui-ci mesure environ de diamètre et de long. Le four rotatif est incliné d’environ 2,5 % ; sa pente et sa vitesse de rotation influent sur la durée de séjour du produit..
Le minerai de fer est premièrement broyé pour atteindre une granulométrie inférieure à . Il est ensuite introduit à l’amont du four, mélangé avec un peu de combustible (généralement de la houille). Au bout de ., il ressort du four à l’extrémité opposée, sous la forme d’un minerai de fer préréduit à . Le fer récupéré atteint 94 % à 97,5 % du fer initialement présent dans le minerai.
La chaleur est apportée par un brûleur situé à l’extrémité inférieure du four, qui fonctionne donc comme un réacteur à contre-courant. Le combustible consiste en un charbon finement pulvérisé, dont la combustion à haute température génère en outre le gaz réducteur, essentiellement du CO. Une fois le four chaud, l’essentiel du combustible peut être apporté par le mélange minerai-houille.
Les fumées qui sortent par l’extrémité supérieure du four atteignent . Elles sont donc refroidies et débarrassées de leur poussière par une injection d’eau avant d’être évacuées à la cheminée.
Le procédé est efficace dans la production de ferronickel à cause de la proximité chimique des deux éléments. En effet, les oxydes de fer et de nickel sont, à , facilement réduits par le carbone alors que les autres oxydes constituant la gangue du minerai sont peu ou pas réduits. Notamment, l'oxyde de fer(II) (ou la wustite), qui est l'oxyde de fer stable à , présente une réductibilité proche de celle de l'oxyde de nickel(II) : il n'est donc pas possible de réduire l'un sans l'autre..
Particularités du procédé
La température maximale dans le four rotatif, comprise entre et , est beaucoup plus élevée que les strictement nécessaires à la réduction des oxydes de fer. L'objectif est d'amener la gangue du minerai à l'état pâteux. Le fer réduit peut alors s'agglomérer en nodules métalliques , les . Si la gangue est très infusible, la température doit être augmentée, jusqu'à pour une charge basique : la maîtrise de la viscosité à chaud de la gangue est un point clé. Parmi les procédés de réduction directe par tambour rotatif, il se distingue donc par les hautes températures mises en œuvre :
+ Procédés de réduction directe par tambour rotatif. lang=fr|sans_cadre|centré|upright=1.5|alt=Dessin d'un tambour 1 2 3 4 5 solide pâteux solide (clinker)liquide (fonte) 600-900 900-1100 1200-1300 1400-1500 12 % 20-70 >90 100 HighveldUdyLarcoElkem RNSL/RNKrupp Krupp-Renn Basset
La gestion de l’injection de charbon pulvérisé à la sortie du four est une autre particularité du procédé. Les évolutions postérieures du procédé autorisent la possibilité de couper cette alimentation en charbon, et de ne fonctionner qu’avec le charbon (ou du poussier de coke.) introduit avec le minerai. Dans ce cas, seul l'air de combustion est injecté à la sortie du four. Le rendement thermique, qui pénalise les fours tournants vis-à-vis des fours à cuve comme les hauts fourneaux, est ainsi amélioré car l'air absorbe une partie de la chaleur des . Mais l'oxygène de cet air ré-oxyde partiellement le produit. Ainsi, même si le fer peut être complètement réduit dans le four, les sont toujours altérés par le contact de l'air à la fin ou après la sortie du four.
L’ensemble est déchargé chaud du four. Il est alors refroidi violemment, puis broyé. Le fer est séparé du laitier par un tri électromagnétique. Les fines magnétiquement intermédiaires représentent 5 à 15 % de la charge enfournée. La fusion partielle de la charge augmente la densité des préréduits, mais implique aussi une coûteuse consommation d'énergie.
Comportement de la charge pendant la traversée du four
On distingue 3 zones dans le four : la zone amont, dite de préchauffage, où le minerai est chauffé jusqu’à par les fumées chaudes remontant dans le four. Tant que la température reste inférieure à 900-, la réduction du minerai est minime et le charbon rejette ses matières les plus volatiles ; le milieu du four, dite zone de réduction, où le charbon se combine avec les oxydes de fer pour former du monoxyde de carbone. Ce monoxyde de carbone s'échappe de la charge et forme une couche gazeuse qui protège la charge de l'air oxydant circulant au-dessus. Puis ce gaz excédentaire brûle, chauffant les parois du four qui restituent ensuite, grâce au mouvement de rotation, la chaleur à la charge. La température monte progressivement à . Les oxydes de fer se transforment progressivement en fer métallique, ou en ferronickel. Le métal obtenu se présente sous la forme de particules d'éponge métallique qui restent finement dispersées dans la gangue pulvérulente ; à la fin du four, la réduction est complète. Seule une faible quantité de CO est produite : la charge n'est plus protégée de l'oxydation par l'air soufflé à la base du four. Une réoxydation violente mais superficielle du fer se produit donc. La rotation ramène une partie du fer oxydé au cœur de la charge, ou elle est de nouveau réduite par le charbon résiduel. Le reste se mélange aux stériles pour former une scorie visqueuse et immiscible avec le métal produit. Cette réaction très exothermique va permettre la fusion du fer et du nickel non oxydé, qui s’agglomèrent sous la forme de nodules, les .