Fabrication de l’acier en 2023 : de l’extraction minière à la pièce finale pour la fabrication

Il est presque impossible d’imaginer un monde sans acier. Nos maisons ont de l’acier dans leur structure, ainsi que les transports que nous empruntons (voiture, moto, train, bus, avion, bateau…). L’énergie que nous utilisons pour faire fonctionner ces mêmes transports et les appareils électroménagers et installations de nos maisons dépendent également de l’acier : les installations pétrolières et gazières ont des structures en acier, tout comme les turbines éoliennes ou les panneaux solaires, entre autres.

Si nous nous retrouvions soudainement privés d’acier, le développement tel que nous le connaissons s’arrêterait : les villes n’auraient probablement pas la même capacité car elles ne pourraient pas construire des bâtiments aussi hauts, ni offrir les mêmes commodités en termes de transports, de mobilier urbain, etc. ; le commerce, soutenu par le mouvement des personnes et des marchandises, serait affecté par des véhicules fabriqués avec d’autres matériaux plus lourds, qui les rendraient moins performants ; même nos besoins fondamentaux pourraient être affectés, comme se chauffer en hiver, cuisiner, conserver les aliments, entre autres, car l’énergie pourrait se raréfier en raison de l’absence d’acier dans les structures qui la transforment et la font parvenir aux foyers et aux entreprises, et à leur tour, les appareils électroménagers tels que les réfrigérateurs ou les cuisinières sont également fabriqués en acier. Et tout cela, pour ne citer que quelques exemples.

L’importance de la fabrication de l’acier dans le monde actuel

Le monde est donc hautement dépendant de l’acier. Selon l’association World Steel, dans l’Union européenne, on estime que chaque personne, en moyenne, utilise 344 kilogrammes d’acier dans des produits finis. Cela représente un défi en ce qui concerne la préservation de l’environnement, car la fabrication de l’acier, comme partie importante de la métallurgie en général, implique traditionnellement une consommation d’énergie et un volume d’émissions de gaz à effet de serre considérables. Le recyclage de l’acier est une étape pour faire de cette activité fondamentale dans la vie humaine telle que nous la connaissons une activité plus durable, et avancer vers la fermeture du cercle pour qu’il n’y ait pas de déchets à l’étape finale qui ne puissent être récupérés.

Comme nous l’expliquons dans notre article consacré précisément au recyclage de l’acier, ce que cette récupération de l’acier usagé élimine pour qu’il ne finisse pas dans les décharges comme déchet, c’est la nécessité d’extraire le minerai de fer des mines, qui est une activité à fort impact environnemental. C’est pourquoi, lorsque nous parlerons dans les sections suivantes de la fabrication de l’acier, il y a une partie qui est commune entre celle qui utilise du minerai de fer vierge comme matière première et celle qui refond des produits en acier recyclés. En fait, 30% ou plus de l’acier utilisé dans l’industrie est recyclé, et on continue à produire de l’acier à partir de minerais vierges en partie parce que tout l’acier qui pourrait être recyclé ne l’est pas encore (bien que dans l’UE près de 90% de ce matériau soit récupéré), mais aussi parce que la ferraille d’acier ne couvre pas les besoins totaux de ce métal dans l’industrie.

Les 6 principales étapes de la fabrication de l’acier

L’acier est fabriqué à partir de minerai de fer, qui est un composé de fer, d’autres minéraux présents dans la nature et d’oxygène. Les processus utilisés pour transformer ces matériaux en acier sont au nombre de deux : les hauts fourneaux et les fours à arc électrique (processus de réduction directe du fer ou DRI que nous décrirons plus loin), qui ont connu des améliorations notables ces dernières années pour réduire leurs émissions de gaz à effet de serre. Les principales étapes de la fabrication de l’acier sont :

1. Extraction minière

L’extraction minière consiste en l’exploration de nouveaux gisements de minéraux et en le forage du sol dans des mines existantes pour concrétiser le potentiel. Dans cette étape, des projections sont également réalisées pour planifier l’extraction des ressources déjà identifiées afin d’extraire de manière optimale leurs minéraux. Cette analyse préalable des données contribue à réduire l’impact environnemental de l’exploitation minière en la rendant plus efficace, en n’interférant qu’avec les ressources nécessaires. De plus, l’utilisation responsable de l’eau et la mise en pratique d’initiatives de conservation pour préserver la biodiversité aident à atténuer l’impact environnemental.

Une fois que l’extraction du minerai commence, on fore généralement la roche et on fait exploser le matériau contenant le minerai avec des explosifs. Ensuite, on utilise des machines lourdes comme des excavatrices pour recueillir le minerai résultant de l’explosion. Cela se fait dans le cas du fer ; dans le cas du carbone, nécessaire à la fabrication ultérieure de l’acier, on accède généralement à des puits de mine verticaux pour accéder à ce minéral déposé en couches ou « veines » sous terre. Ce charbon sera ensuite transformé en coke métallurgique.

Le matériau contenant le minerai de fer est transporté dans des camions qui peuvent charger jusqu’à 450 tonnes métriques (leurs roues peuvent avoir des diamètres allant jusqu’à 4 mètres) vers des usines de traitement proches.

Dans ces usines de traitement, le matériau extrait de la mine est transformé en matière première. Le traitement implique le concassage du matériau, puis sa concentration, ce qui peut se faire par broyage, flottation ou séparation magnétique, et on peut même aller plus loin dans le traitement et faire des pellets, comme on le fait avec le plastique.

2. Traitement des minerais extraits

Pour fabriquer l’acier, deux matériaux sont nécessaires, qui sont le minerai de fer et le charbon, bien que de plus en plus, ils soient trois, si l’on y ajoute la ferraille d’acier du processus de recyclage. Depuis l’usine de traitement, le matériau contenant le minerai de fer (qui devra être séparé) et le charbon métallurgique sont généralement chargés sur des navires pour être livrés, au moyen de grandes grues depuis la cale, à d’énormes piles, qui seront transportées par trains de marchandises vers des usines sidérurgiques.

Les matières premières sont empilées selon leur grade, c’est-à-dire selon leur composition chimique (qui peut être, par exemple, à faible teneur en carbone, ou avec carbone, chrome et nickel, etc.). Il peut y avoir des dizaines de milliers de grades d’aciers différents, et de nouveaux grades sont continuellement créés. Cet empilement est réalisé par des machines de dimensions énormes appelées stackers-reclaimers (empileurs-récupérateurs), qui d’abord collectent les matières premières puis les déposent sur des bandes transporteuses pour être ensuite déposées selon le grade.

Avant de chauffer l’acier dans le haut fourneau, le traitement des matières premières implique la conversion du charbon en coke. Le coke est un résidu de la combustion du charbon et a un double rôle dans le processus de fabrication de l’acier : d’une part, il fournit la chaleur nécessaire pour faire fondre le minerai de fer dans le haut fourneau, et d’autre part, en brûlant, il prend l’oxygène du minerai de fer, le transformant en fer pur (car avec l’oxygène, il s’oxyderait). Le coke est produit en chauffant le charbon en l’absence d’oxygène, ce qui élimine ses impuretés, et à son tour génère des sous-produits qui étaient traditionnellement jetés comme déchets et peuvent maintenant être utilisés pour rendre le processus plus durable : le gaz peut être converti en gaz de ville pour être réutilisé dans le chauffage des mêmes fours à coke, tandis que le goudron, le soufre, l’ammoniac, le naphtalène, le benzoyle, etc., peuvent être utilisés dans des industries comme la chimie. Une fois les impuretés du charbon éliminées, on obtient le coke, qui est un charbon poreux, très pur.

L’étape suivante est le frittage, qui vise à obtenir un minerai de fer optimal pour être traité dans un haut fourneau. Ce matériau, le fritté, résulte de la combustion d’un mélange de poudre de minerai de fer, de fondants et de substances recyclées pour créer une substance consistante à grain ouvert. Il est ensuite broyé, refroidi et filtré pour éliminer la poussière. Si le minerai de fer est nécessaire sous forme de granulés, alors le processus s’arrête ici, et le minerai peut être utilisé pour fabriquer de l’acier par la méthode de réduction directe du fer (DRI).

3. Fabrication du fer et de l’acier dans des fours

Dans cette étape du processus, c’est là qu’entre en jeu le haut fourneau que beaucoup d’entre nous avons à l’esprit quand nous parlons de métallurgie. Les matériaux doivent y être fondus pour obtenir du fer liquide. Cependant, on peut également utiliser la méthode de réduction directe du fer, qui se passe du haut fourneau.

La méthode DRI n’utilise pas le matériau fritté que nous décrivions à la fin du paragraphe précédent, mais utilise le minerai de fer pelletisé dont nous parlions à l’étape de l’usine de traitement après l’extraction. Cependant, cette méthode a en commun avec le frittage que l’oxygène doit être éliminé par « réduction » dans un four DRI, qui au lieu d’utiliser le coke comme source d’énergie, utilise du gaz naturel, que certaines aciéries extraient précisément de la génération de coke dans la méthode de fabrication avec haut fourneau. Le résultat de la réduction est du fer liquide qui est transféré à un four à arc électrique sur des transporteurs.

À cette étape entre en jeu l’acier recyclé, qui comme nous l’expliquons dans l’article sur ce sujet peut être recyclé indéfiniment. La ferraille d’acier est généralement fondue dans un four à arc électrique ou EAF (de l’anglais Electrical Arc Furnace) ou dans un four à oxygène basique ou BOF, qui permet de mieux contrôler la chaleur. Le four à arc électrique est chargé avec de la ferraille d’acier, qui utilise des arcs électriques de haute puissance pour la faire fondre, et fait également fondre le fer de réduction directe en acier liquide. Dans ce fer fondu, on injecte de l’oxygène, ce qui fait varier sa teneur en carbone, et on y ajoute de la ferraille. De là, on extrait l’acier du récipient du four que nous évoquons probablement tous quand nous pensons à ce type d’industrie avec une grande louche, prêt pour sa fusion, et on élimine les résidus qui peuvent s’avérer précieux s’ils sont réintroduits dans le cercle de l’économie (ou mieux, s’ils n’en sortent pas), par exemple, sous forme de gaz pour générer de l’énergie. Dans ces fours, on peut ajuster la composition chimique de la masse pour obtenir le grade d’acier requis. Dans un autre article, nous parlons de grades très utilisés dans l’industrie, comme le 304 et le 316.

4. Coulée et laminage

Nous avons extrait l’acier d’un four à l’état liquide, et il est amené à la coulée continue dans une louche. La coulée continue est un système qui consiste à verser l’acier (ou un autre matériau) dans des récipients pour qu’il se solidifie uniformément : le chemin vertical qu’il suit et le moule deviennent progressivement plus horizontaux à mesure que le métal refroidit, devenant une dalle continue d’acier, solide mais rouge vif. Cette même dalle est coupée sur mesure en produits semi-finis qu’on peut appeler billettes ou brames.

Ces billettes ou brames sont réchauffées à plus de 1 000°C, c’est-à-dire au-dessus de la température de recristallisation, de sorte qu’elles se forment plus facilement : on élimine la calamine et on les refroidit avant de les laminer à chaud pour créer des produits longs comme des sections, des tubes, des fils, etc. Dans le cas de produits en acier aux dimensions plus précises et aux finitions de surface meilleures (panneaux de carrosserie pour voitures, composants de moteur, canettes de boisson, etc.), on procède au laminage à froid. Ce laminage permet, au moyen d’un acide chauffé, d’éliminer les incrustations qui se forment lors du laminage préalable à chaud, pour donner aux pièces des qualités structurelles ou de résistance spécifiques.

5. Finition

Du processus de laminage à froid et à chaud, nous obtenons des profilés, des tubes et des tôles métalliques et du fil. Ces matières premières prêtes à être transformées pour répondre aux caractéristiques de fabrication de produits (mesures, finition de surface, etc.) passent par des processus tels que le recuit, la galvanisation et le revêtement organique, entre autres.

Pour en savoir plus sur certains de ces processus de finition de pièces métalliques, nous avons des articles qui leur sont consacrés, comme par exemple :

• Galvanisation : il s’agit de recouvrir l’acier d’une couche de zinc générant un alliage entre les deux métaux, pour le protéger de l’oxygène et de l’humidité, ce qui est particulièrement utile pour l’acier qui doit être exposé à des conditions défavorables.
• Zingage : c’est un processus dans lequel l’acier est également recouvert de zinc, utilisé pour des pièces plus petites (écrous, vis, etc.) avec des techniques différentes, comme le bain électrolytique, plus économique et adapté à des utilisations moins exigeantes.

Cette partie de la fabrication de tubes présente également des défis en termes de durabilité, comme par exemple l’utilisation de températures élevées et de grandes quantités d’énergie. Cependant, l’incorporation, entre autres, de technologies comme le vide permet de réduire le point de chauffage nécessaire et l’énergie qu’il requiert, car dans une atmosphère dont pratiquement toute la matière a été extraite, la pression de vapeur requise pour qu’une substance bout est réduite, il y a moins de molécules de gaz autour de la substance qui est chauffée, qui par conséquent n’expérimentent pas la même attraction moléculaire à la surface du matériau qu’à pression ambiante, et cela fait que les molécules quittent la surface et entrent en phase gazeuse plus facilement.

6. Fabrication de produits finals

Une fois que les pièces comme les tubes, profilés, fils, bobines, etc., sortent de l’usine, elles sont généralement transférées à des usines d’usinage comme Ferros Planes, qui sont chargées de donner à ces formes primaires une forme et une taille finales requises pour la fabrication de produits qui font partie de notre quotidien, des automobiles aux ponts ou turbines éoliennes, et des bâtiments hauts ou clôtures aux machines lourdes comme les excavatrices ou les appareils électroménagers comme les lave-linge.

Ferros Planes, fabricant de tubes d’acier

Chez Ferros Planes, nous couvrons de la fabrication de tubes d’acier à leur usinage pour livrer les pièces aux industries qui les utilisent dans des produits finals, comme l’automobile, le mobilier ou la construction, entre autres, avec la plus haute qualité, rapidité et préoccupation pour l’impact environnemental.

Articles d’intérêt :

• Statistiques sur l’acier de 2022
• Fiche d’information de l’UE sur le recyclage des métaux