Réduction des minerais de fer à faible teneur par plasma d'hydrogène : influence des éléments de gangue

Sujet de thèse :
Le principal obstacle à une production sidérurgique plus durable est sans aucun doute la décarbonation de ses chaînes de transformation. Actuellement, la production d’une tonne d’acier est liée à l’émission stupéfiante de 2,1 tonnes de CO2, un fait qui rend la sidérurgie responsable de 8 % des émissions totales de CO2 de la planète. En effet, nous avons extrait le fer de ses minerais par des réactions chimiques qui utilisent des substances porteuses de C, le CO2 étant le sous-produit. Parallèlement à ce défi, la rareté des minerais de fer à haute teneur pouvant être exploités comme matière première est une réalité proche. Cela crée un dilemme absolu qui obligera les sidérurgistes à produire de l’acier vert à partir de minerais de fer de faible qualité.
La réduction par plasma d’hydrogène des minerais de fer (RPH) apparaît comme une voie attractive pour produire du fer à faibles émissions de CO2. Dans cette voie, le minerai est exposé à un plasma réducteur contenant une faible teneur en hydrogène (10 % H2), dans un four à arc électrique (FAE), pour être simultanément fondu et réduit. Lors de l’utilisation d’espèces de plasma d’hydrogène (H, H+) comme agent réducteur pour les minerais de fer, le sous-produit est de l’eau au lieu du CO2 (FeO + 2 H → Fe + H2O).
Ce travail de doctorat vise à étudier les principes fondamentaux du RPH pour transformer les minerais de fer à faible teneur en fer durable et propre. Le projet ciblera les minerais de fer à faible teneur contenant moins de 59% de Fe et contenant des quantités substantiellement importantes (~15 %) d'oxydes liés à la gangue (c'est-à-dire des constituants moins précieux que les oxydes de fer : Al2O3, SiO2, P2O5 etc.). Les minerais partiellement et totalement réduits seront caractérisés chimiquement et microstructuralement. Les résultats révéleront des détails importants sur les mécanismes réactionnels et l’efficacité du procédé en termes de consommation d’hydrogène et de formation de fer. La composition des scories (autoformées par les oxydes de gangue) sera également parfaitement caractérisée et sera destinée à l'industrie cimentière. Les aspects hydrodynamiques résultant de l'interaction plasma/liquide et de la répartition de la température seront surveillés à l'aide de caméras infrarouges et rapides. Le plasma d'hydrogène sera caractérisé par spectroscopie d'émission optique.
Contexte :
Ce travail de doctorat s'inscrit dans le cadre du projet de 4 ans intitulé « Decarbonized Steel Production with Novel Decarbonized Processes » dont l'acronyme en anglais est ZEROSTEEL. Il s'agit d'un projet entièrement financé par l'Union européenne (550 k€ pour 4 ans) et appartenant à la chaire de métallurgie durable récemment lancée à l'IJL. Dr. Isnaldi R. Souza Filho et Dr. Thierry Belmonte sont les principaux interlocuteurs et responsables du projet. Pour plus d'informations, veuillez également contacter isnaldi.rodrigues-de-souza-filho
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