La fusion flash est un procédé d'extraction pyrométallurgique de métaux non ferreux, consistant à simultanément oxyder et fondre les métaux contenus dans un minerai sulfureux, comme la chalcopyrite. Le procédé a été inventé par l'entreprise finlandaise Outokumpu et utilisé à partir de 1949 pour l'extraction du cuivre. Le procédé a été depuis adapté à l'extraction du nickel et du plomb. Au début du , la fusion flash intervient dans 50 % de la production mondiale de cuivre, 30 % de la production de nickel et 10 % de la production de plomb.

Histoire Fin du : premiers essais

L'idée d'oxyder le soufre contenu dans les minerais sulfureux de cuivre est ancienne. Dans les années 1870, le métallurgiste anglais John Hollway expérimente la fusion et l'affinage du cuivre au moyen d'un convertisseur inspiré du procédé Bessemer. Il propose le sulfure de fer comme combustible, son oxydation générant du et un laitier de FeO. L'oxydation n'est cependant pas complète : Hollway prend garde de toujours disposer d'un excès de soufre dans le bain, afin d'éviter l'oxydation du cuivre, mais aussi des métaux plus précieux, comme le nickel, l'argent ou l'or.

Hollway envisage donc la production d'une matte blanche, c'est-à-dire un mélange de cuivre et de soufre. Il n'envisage pas de pousser l'affinage au-delà, en retirant tout le soufre. Il entame alors une série d'expérimentations poussées dans le milieu des années 1870 à Penistone, en Angleterre, qui font de lui le pionnier des tentatives de fusion et d'affinage des pyrites cuivreuses en une seule étape. Malgré sa persévérance, Hollway échoue à mettre au point un procédé industriellement utilisable :

En cette année , Hollway suggéra et expérimenta le principe qu'il avait relevé, posant les bases de l'affinage des pyrites et de leur conversion actuelle. L'air était soufflé au travers de pyrites de Rio Tinto dans un convertisseur Bessemer ordinaire, et l'expérience fut un succès remarquable. Mais l'appareil était cependant inadapté, et le procédé fonctionnait de manière très intermittente, et de grandes quantités de laitier était produites, qui devaient être vidangé régulièrement, pendant que la position des tuyères de ce convertisseur s'avérait insatisfaisante. […]

Dans la forme finale de l'appareil de Hollway pour la fusion des pyrites, du minerai au métal, une introduction de fondant siliceux pour l'oxyde de fer, combinée avec l'utilisation d'un réfractaire basique, avait pour but de résoudre des difficultés liées à l'attaque du revêtement réfractaire siliceux.

Cependant, ne cachant rien de ses échecs, et publiant des brevets sans lendemain, Hollway communique de manière détaillée ses essais et leurs résultats. Ainsi, lorsque Pierre Manhès et Paul David mettent au point le procédé Manhès-David, leur invention bénéficie immédiatement de l'expérience constituée par les essais de Hollway. Mais leur procédé se limite à l'affinage pneumatique d'une matte préalablement fondue.

Première moitié du : recherches ponctuelles

En 1898, le métallurgiste américain Edward Dyer Peters calcule que 60 % du coût de production du cuivre correspond à la consommation de combustible. Et il n'échappe alors à aucun métallurgiste que ce combustible sert à ôter le fer et le soufre combinés avec le cuivre. Or ces éléments pourraient être eux-mêmes des combustibles utiles. En particulier, le grillage des minerais est une opération de désulfuration coûteuse en combustible.

L'utilisation d'un haut fourneau pour la fusion des pyrites en cuivre est testée dès 1878. Le coke amorce la combustion du soufre contenu dans le minerai. Grâce à l'excellent rendement du haut fourneau, une réduction de 40 % des dépenses en combustible est envisageable. De plus, il devient possible d'éviter les étapes de broyage et de grillage du minerai, qui comptent alors entre 17 % et 50 % du coût de transformation du minerai en cuivre. Mais la fusion au haut fourneau a aussi ses inconvénients. Le four n'est efficace qu'avec des minerais suffisamment riches, et de nature rocheuse ; or les gisements de ce type sont quasiment tous épuisés dans les années 1930. Ces fours sont également difficiles à conduire et produisent une matte de qualité médiocre.

L'utilisation d'un four à réverbère permet aussi la fusion et l'affinage simultanés des pyrites. En 1878, le métallurgiste américain Henry L. Bridgman en brevette le principe. Il propose d'oxyder un minerai sulfureux finement pulvérisé. Bien que les procédés d'enrichissement qui commencent à se développer, comme la flottation par moussage, facilitent la production d'un tel minerai, l'idée n'est pas concrétisée. En outre, le mauvais rendement des fours à réverbères fait que l'ensemble du procédé ne permet qu'une réduction de 5 % des besoins en combustible. En 1915, des chercheurs de lAnaconda Copper brevettent l'utilisation d'un régénérateur Siemens pour en améliorer le rendement thermique. Mais rien ne permet d'établir que leur invention, comme celle, similaire, brevetée en 1932 par Horace Freeman ait été concrétisée.

À l'opposé de ces brevets, certains chercheurs tenant la théorie de l'oxydation des pyrites comme acquise, se concentrent sur la réalisation pratique. Dans les années 1930, Frederick Laist and J. P. Cooper, toujours de l'''Anaconda Copper, prouvent que récupérer la chaleur dégagée par l'oxydation des pyrites lors de leur grillage sur sole tournante peut économiser jusqu'à 60 % du combustible nécessaire à l'opération. En 1935, en Union Soviétique, un four similaire est évalué puis abandonné à cause de la mauvaise tenue des réfractaires et du colmatage du four par les particules fondues. En 1937, la Société française des mines de Bor essaie un four-cuve vertical, mais abandonne face aux difficultés techniques, et surtout à cause de la Seconde Guerre mondiale.

Enfin, en 1936, Telfer E. Norman, un métallurgiste travaillant pour le compte d'Inco, publie une revue d'ensemble sur la problématique de la fusion des pyrites sans combustible. Il démontre que la chaleur dégagée par l'oxydation des pyrites ne peut pas suffire à la fusion : trop de chaleur est consommée par le réchauffage de l'azote de l'air utilisé pour oxyder les pyrites. Par contre, dans une atmosphère contenant plus de 40 % d'oxygène, la fusion d'un minerai sulfureux très concentré devient théoriquement possible. Comme, à cette époque, les techniques cryogéniques de production d'oxygène pur sont devenues tout à fait envisageables pour des applications industrielles, il n'existe aucun blocage théorique ou technologique pour la mise au point d'un procédé de fusion autogène des pryrites :

À condition qu'un four adapté puisse être mis au point et s'avère être un outil [industriellement] satisfaisant, le paramètre qui devient le plus important serait les coûts relatifs du combustible et de l'oxygène.

L'arrivée de la Seconde Guerre mondiale suspendra pourtant toutes les recherches.

Années 1950 : mise au point du procédé Outokumpu

En 1936, une petite entreprise finlandaise, Outokumpu, fondée en 1914 près de la ville éponyme pour exploiter un gisement de cuivre local, met en service un four à arc électrique pour la fusion du minerai en matte. Ce four est alors le plus gros du monde pour cet usage. Mais, en 1944, l'Armistice de Moscou amène à l'annexion par l'Union Soviétique de la Carélie, et donc des deux barrages hydroélectriques de Enso-Vallinkoski et de , privant du même coup la Finlande du tiers de sa capacité de production d'électricité. Cet événement, combiné avec la démobilisation et le paiement des indemnités de guerre (61 % des exportations du pays en 1945), met sous pression l'industrie finlandaise. Alors que l'entreprise Outokumpu consomme 3 % de l'électricité du pays, le prix de cette énergie quintuple entre 1946 et 1948.

Mais, dès 1945, anticipant la forte contrainte qui s'esquisse sur cette source d'énergie, l'entreprise se lance dans l'étude au développement d'un procédé plus économe en énergie. En seulement trois mois, l'équipe de quatre ingénieurs missionnée pour résoudre le problème propose une alternative. Ses calculs montrent qu'en oxydant le minerai concentré avec de l'air, puis en récupérant la chaleur des fumées afin de préchauffer l'air oxydant, il devient possible de réaliser la fusion presque sans apport de combustible. En , soit moins de deux ans après le début des études, l'ancêtre des fours de fusion flash est opérationnel. Un modèle industriel est construit à partir de septembre, qui est fonctionne trois mois après. En 1949, le procédé est opérationnel dans l'usine de Harjavalta, même si le four électrique d'avant-guerre assure encore un tiers de la production d'Outokumpu jusqu'en 1953.

Inco

Au lendemain de la Seconde Guerre mondiale, le géant mondial du nickel, le canadien Inco reprend les recherches là où Norman les avait arrêtées. Disposant d'électricité en abondance grâce à l'exploitation des Chutes du Niagara, et s'associant avec le français Air liquide, plus petit mais plus agressif que son concurrent Linde, Inco reprend le développement d'un four de fusion flash utilisant un enrichissement en oxygène. Le prototype démarre en (donc un mois avant celui d'Outokumpu), le premier modèle industriel n'étant opérationnel que le . Comme son équivalent d'Outokumpu, il s'agit d'une évolution directe du four à réverbère.

Bien que le four flash d'Inco ne se soucie pas d'économiser l'énergie comme celui d'Outokumpu, il s'avère thermiquement plus efficace. En effet, les échangeurs de chaleur choisis par Outokumpu sont moins perfectionnés que les technologies cryogéniques utilisées par Inco. Ils sont aussi sont plus fragiles et d'un moins bon rendement.

L'absence d'azote dans l'air de combustion génère des fumées très riches en (environ 50 %), ce qui simplifie considérablement leur traitement. Ainsi, en 1952, le premier four industriel d'Inco est associé à une unité de traitement de taille standard, alors qu'elle retire dix fois plus de soufre que n'importe quelle autre unité équivalente dans le monde.

Fours flash

Four flash d'Outokumpu

Bien que moins efficace que celui d'Inco, le four d'Outokumpu s'est imposé à ses détriments. En effet, l'entreprise finlandaise a adopté une stratégie de vente de ses brevets et d'exportation de son savoir-faire qui a permis la diffusion rapide de sa technologie. À l'inverse, Inco n'a utilisé la fusion flash que pour maintenir son quasi-monopole sur la production du nickel.

Le four d'Outokumpu est constitué d'un cylindre vertical, le réacteur, au sommet duquel pénètrent le minerai concentré sec et pulvérisé, et l'air, éventuellement mélangé avec de l'oxygène, du combustible ou d'un fondant siliceux. Porté instantanément à haute température, le concentré s'oxyde et fond au cours de sa chute dans le réacteur. Il arrive alors dans la chambre de décantation, ou , où se séparent la matte et le laitier. Les fumées s'échappent de l'autre extrémité de la chambre par un carnau vertical, l, qui les amènent vers un récupérateur de chaleur. À Harjavalta, un concentré à 23 % de cuivre donne ainsi une matte à 64 % de cuivre et des fumées entre 11 et 14 % de . En 1996, le plus grand four flash de ce type, à San Manuel, produisait de matte et aurait même pu atteindre avec quelques modifications. Comparé à un four à réverbère, la production est 4 fois plus élevée à surface égale, et la consommation en énergie est divisée par 2.

À l'origine, le préchauffage de l'air à une température de permettait d'atteindre un fonctionnement autogène. En 1971, Outokumpu adopte l'enrichissement en oxygène dans son usine d'Harjavalta. Cette amélioration amène le four d'Outokumpu au même niveau d'efficacité énergétique que celui d'Inco. Au début du , l'enrichissement en oxygène, à des teneurs comprises entre 30 et 90 %, a quasiment partout remplacé la récupération de chaleur.