vignette|upright=1.2|Ancien convertisseur rotatif Kaldo sur ses galets à Borlänge (Suède).|alt=photo d'une cornue sur ses galets, dans un parc
Le procédé Kaldo est un ancien procédé d'affinage utilisé en sidérurgie pour traiter la fonte brute phosphoreuse. Il s'agit d'un modèle particulier de convertisseur à l'oxygène pur, dans lequel le brassage du métal en fusion est assuré par la rotation de la cornue, à l'instar d'une bétonnière. Le nom « Kaldo » est un mot-valise, construit à partir du nom de son inventeur, le professeur Bo Kalling, et de l'usine qui, en 1948, a développé et industrialisé le procédé, la Domnarvets Jernverk.
Le convertisseur a été adapté à la métallurgie des métaux non-ferreux, où il est souvent appelé TBRC (pour C'est-à-dire « convertisseur rotatif à soufflage par le haut ».). Il y est un outil très polyvalent, autant pour la fusion de déchets riches en cuivre ou en métaux précieux, que pour l'affinage des mattes de cuivre, de nickel, d'étain ou de plomb.
En dépit de ses coûts en réfractaires élevés, le procédé Kaldo a été très populaire dans les années 1960 car il a été le premier convertisseur à l'oxygène à la fois capable d'affiner efficacement les fontes phosphoreuses, d'élaborer précisément une gamme étendue d'alliages et de recycler une grande quantité de ferrailles. Mais, dépassé quelques années après par les progrès du procédé LD, plus simple et plus compétitif, il disparaît en 1982, avec l'arrêt des deux Kaldo géants de l'aciérie de Gandrange (Moselle, France).
Dans l'élaboration des métaux non-ferreux, le TBRC a aussi failli disparaître, avant de redevenir, au début du , un outil apprécié pour recycler les déchets d'équipements électriques et électroniques. Sa flexibilité correspond bien à la complexité des charges à traiter, ainsi qu'à des rythmes de production variables. Il est également l'outil le plus efficace pour l'extraction pyrométallurgique de métaux précieux présents dans des sous-produits d'usines métallurgiques.
Histoire Contexte : mise au point du convertisseur à l'oxygène vignette|lang=fr|upright=0.9|Principe du convertisseur Bessemer/Thomas à soufflage d'air par le bas.|alt=Schéma d'une cornue Bessemer/Thomas.
Envisagée dès 1856 par Henry Bessemer., l'utilisation d'oxygène pur au lieu d'air serait une amélioration logique des convertisseurs Bessemer et Thomas. En effet : 78 % de l'air est composé d'azote qui n'a aucun rôle utile dans l'affinage de la fonte. Injecter inutilement de l'azote représente une perte thermique, à peine compensée par le bilan exothermique des réactions chimiques : ; la basse teneur de l'air en oxygène limite la vitesse des réactions chimiques ; le soufflage dure plus longtemps parce qu'on ne peut pas augmenter le débit d'air sans risquer un débordement ; l'azote se dissout dans l'acier liquide et une fraction y reste quand l'acier se solidifie. Or l'azote est un élément fragilisant pour l'acier alors qu'une bonne ductilité est essentielle à de nombreuses applications, notamment la construction automobile qui recherche des aciers faciles à emboutir., avec des teneurs en azote inférieures à , inaccessibles avec le procédé Thomas..
En 1895, l'ingénieur allemand Carl von Linde réussit la liquéfaction de l'air. Indépendamment, le physicien et chimiste français Georges Claude met en service le un procédé industriel de liquéfaction de l'air. Leurs brevets permettent la production industrielle, et surtout économique, de grandes quantités d'oxygène liquide : l'affinage à l'oxygène imaginé par Bessemer devient réalisable. Mais le remplacement simple de l'air par de l'oxygène pur présente des difficultés considérables. Notamment, la réaction de l'oxygène pur avec la fonte mène à des températures de : dans ces conditions, sans refroidissement des tuyères, le fond d'un convertisseur est détruit en quelques heures..
gauche|vignette|lang=fr|upright=0.9|Principe du convertisseur LD à injection d'oxygène par le haut.|alt=schéma d'une cornue LD
En 1949, le métallurgiste suisse Robert Durrer et l'ingénieur autrichien Theodor Eduard Suess trouvent une solution satisfaisante : ils mettent au point, à l'aciérie Vöest à Linz (Autriche), le soufflage d'oxygène au moyen d'une lance pénétrant verticalement dans la cornue. L'invention apparaît vite comme une technologie de rupture : six mois après le premier essai, le prototype s'avère plus économique que les meilleurs convertisseurs classiques ! En effet, il combine l'avantage des convertisseurs Martin avec la productivité des convertisseurs Bessemer et Thomas . Plus efficaces et donc moins nombreux que leurs équivalents à l'air, les nouveaux convertisseurs LD (pour Linz et Donawitz) ne demandent qu'un investissement environ deux tiers, et des coûts d'exploitation limités à 55 % de ceux d'une usine traditionnelle de capacité comparable..
Dans le convertisseur LD, le brassage est assuré par la remontée de bulles de monoxyde de carbone (CO) produites par la décarburation de la fonte. Mais ce mouvement, efficace en début de soufflage, tend à ralentir lorsque la concentration du carbone dissous passe en dessous de 0,1 %, et le brassage avec le laitier diminue corrélativement. Or, l'oxydation du phosphore ne se produit qu'après le départ de tout le carbone, et la capture de l'oxyde nécessite un brassage énergique avec la chaux du laitier. L'histoire se répète : comme jadis le convertisseur de Bessemer, le procédé LD révolutionne la sidérurgie mais se révèle inadapté à l'affinage des fontes phosphoreuses en raison de la température élevée produite par l'oxydation du phosphore et de l'endommagement prématuré des réfractaires.
Enfin, les convertisseurs à l'oxygène pur génèrent d'énormes quantités de fumées rousses, chargées en oxyde de fer. Le dépoussiérage de ces fumées est incontournable. Ces fumées, riches en monoxyde de carbone (CO), deviennent alors un gaz combustible, le gaz de convertisseur. Mais avant le premier choc pétrolier de 1973, l'énergie est bon marché et le coût d'investissement du système de dépoussiérage pénalise le procédé LD.
Développement du convertisseur rotatif Depuis les années 1940, en Suède, la Domnarvets Jernverk mène d'actives recherches pour mettre au point un procédé à l'oxygène pur capable de traiter les fontes phosphoreuses. En effet, la fonte brute traitée par l'aciérie de Domnarvet contenant de 1,8 à 2 % de phosphore, l'efficacité de la déphosphoration est incontournable.. Jusqu'ici, dans un pays où le minerai de fer est bien plus abondant que les ferrailles, le moyen le plus pertinent pour traiter ce type de fonte est le convertisseur Thomas. Mais l'injection d'oxygène dans le convertisseur amène une destruction rapide des réfractaires. Bien qu'en 1940, à Oberhausen (Allemagne), l'ingénieur Otto Lellep parvient à décarburer de la fonte avec de l'oxygène pur, il ne parvient pas à la déphosphorer : avec l'oxygène pur, l'oxydation du phosphore est trop exothermique pour le fond du convertisseur.
Pour dépasser 40 % d'oxygène, il faut des diluants plus efficaces que l'azote, et surtout moins nocifs vis-à-vis des propriétés de l'acier car l'azote fragilise l'acier. L'aciérie de Domnarvet adopte alors le dioxyde de carbone () dont le craquage à haute température, endothermique, permet de refroidir sensiblement le réfractaire. En 1947-1949, en fin de soufflage, les convertisseurs Thomas de Domnarvet soufflent ainsi un mélange gazeux contenant jusqu'à 58 % d'oxygène..
droite|vignette|lang=fr|upright=1.2|Principe du convertisseur Kaldo à cornue tournant selon le même principe que celui de la cuve d'une bétonnière.|alt=schéma d'un Kaldo à cornue tournante
Mais mélanger l'oxygène avec un refroidissant n'est pas une solution satisfaisante. Pour injecter de l'oxygène pur, il faut momentanémentLe soufflage d'oxygène pur par le fond ne sera mis au point que dans les années 1970 avec, notamment, les procédés OBM () et LWS (Loire-Wendel-Sprunck). renoncer au soufflage par le fond, et assurer le brassage du métal par un autre moyen. Dans ce contexte, la rotation du convertisseur s'impose comme une des rares configurations techniquement réaliste et compatible avec une injection d'oxygène par une lance.
Les essais d'un convertisseur rotatif commencent à Domnarvet en 1948. avec un prototype d'une capacité interne de , puis un pilote de . Le premier démonstrateur industriel, de , est construit en 1954 et est opérationnel en 1956..
Ce convertisseur est appelé « Kaldo », un mot-valise construit à partir du nom de son inventeur, le professeur Bo Kalling, et de l'usine qui a développé et industrialisé le procédé, la Domnarvets Jernverk. Il se révèle être un succès technique. La possibilité de jouer sur la vitesse de rotation et l'inclinaison de la lance apporte une flexibilité unique. Notamment, grâce à la rotation, le monoxyde de carbone produit par la décarburation de la fonte n'a plus à assurer le brassage du bain et l'injection d'oxygène peut être moins violente. L'oxygène (), qui se répand alors dans la cornue, brûle le monoxyde de carbone (CO) en dioxyde de carbone (), apportant ainsi un supplément de chaleur servant avantageusement à refondre des ferrailles. Le gaz brûlé n'ayant plus de potentiel comme combustible, il n'est plus récupéré et son traitement se limite à son dépoussiérage. Cette simplification compense, en partie, la complexité mécanique due à la rotation.
Adoption du procédé Les sidérurgistes lorrains, dont le minerai local, la minette, est riche en phosphore (apatite, phosphate de calcium), s'intéressent de près au procédé. Convaincus par la nécessité de passer au convertisseur à l'oxygène, ils sont, en 1960, à l'origine du deuxième convertisseur Kaldo. Celui-ci, installé à l'usine sidérurgique de Florange, représente un saut capacitaire notable par rapport à son aîné : il peut affiner de fonte phosphoreuse. Il s'agit aussi du plus gros convertisseur à l'oxygène pur présent en Lorraine. Sa capacité est par la suite progressivement augmentée jusqu'à ..
Dans les années suivantes, le procédé est systématiquement évalué comme une alternative au procédé LD et à ses dérivés. Dès 1965, 10 usines utilisent le procédé Kaldo, en France, Suède, États-Unis, Japon et surtout au Royaume-Uni. Les capacités des nouveaux convertisseurs se situent entre .. Mais l'avenir du procédé semble déjà compromis : dès 1967, le métallurgiste James Albert Allen estime qu'avec
+ Comparaison des coûts relatifs (en %), pour une aciérie produisant d'acier à partir de fonte non phosphoreuse, en 1965. Procédé Kaldo Procédé LD100585010072,556,4
En effet, au début des années 1960, des variantes du procédé LD capables de traiter les fontes phosphoreuses sont mises au point : le procédé LD-AC, qui consiste à injecter de la chaux en poudre en la mélangeant avec l'oxygène démontre la flexibilité du soufflage par le haut. D'autres variantes sont ensuite développées sur ce principe : LBE (Lance Bubbling Equilibrium), LD-Pompey, OLP (Oxygen Lime Powder). Cependant, le procédé LD perd beaucoup de son intérêt dès qu'on l'emploie à l'affinage des fontes phosphoreuses. Surtout, tous ces procédés mettent en œuvre des réactions chimiques très rapides. Dans les années qui suivent leur apparition, les convertisseurs LD et leurs dérivés sont exclus de l'élaboration d'aciers de qualité.. L'apparition de la coulée continue, qui exige un excellent contrôle de la température de l'acier en fusion, nécessite aussi un bon contrôle de l'affinage..
C'est ainsi que, en 1969, . Ces énormes engins de . qui tournent à par minute sont deux fois plus gros que le plus gros Kaldo construit. Mais deux ans plus tard, deux convertisseurs OLP de sont mis en service dans la même aciérie alors que le troisième Kaldo prévu est annulé. La course à la taille, censée favoriser les économies d'échelle, a tué le procédé au lieu de le sauver : la limite technologique est atteinte, les coûts augmentent avec les dimensions alors que c'est l'inverse qui était escompté..