Nouvelle méthode chinoise de production de fer transforme des heures en secondes

Le fer reste le roi des métaux

When discussing manufacturing innovation, the attention tends to be concentrated on high tech (robotique, impression 3D) or on rare metals and materials, like tungstène, titane, rhodium, etc. (follow the links for detailed investment reports for each).

En fin de compte, bien que importantes, ces avancées ne changent pas le fait que la majorité des matériaux que nous utilisons sont beaucoup plus simples — et aucun métal n’est aussi essentiel à la vie moderne que le fer.

Le fer et l’acier sont des matériaux clés requis en quantités massives pour les infrastructures (ponts, béton armé, etc.), la logistique et le transport (voitures, chemins de fer, trains, ports, navires), et d’innombrables usages industriels (tuyaux, réservoirs de stockage, fours, etc.).

Les oxydes de fer peuvent provenir de minéraux tels que l’hématite, la limonite, la magnétite, la pyrite, la goethite, et d’autres, et environ 90 % de tout le métal raffiné aujourd’hui est du fer.

Source: FTM Machinery

Heureusement, le fer est très abondant sur Terre (5 % de la croûte terrestre en poids) et dans l’univers en général. Cependant, le transformer en une forme utilisable peut être un processus très énergivore et chronophage. Ainsi, c’est une grande nouvelle que des chercheurs chinois aient annoncé avoir trouvé une méthode pour augmenter une étape centrale de la production de fer, avec une productivité multipliée par 3 600.

Comment le fer est-il produit ?

Pure iron is produced from iron-rich ore, which is turned into purer metal through the process of smelting.

Du four primitif à basse température de l’Antiquité, des fours plus avancés ont été développés au Moyen Âge et à l’époque moderne pour produire du fer plus efficacement à des températures allant de 1 400 °C à 1 500 °C (2 550 °F à 2 700 °F). Ce fer chaud et purifié est souvent envoyé directement à l’usine sidérurgique pour la production d’acier, réduisant ainsi les pertes de chaleur.

Même avec les méthodes modernes, la fusion du fer dans les hauts-fourneaux est un processus long, qui dure 5 à 6 heures. Cela le rend très énergivore, la haute température devant être maintenue pendant toute la durée du processus, généralement au moyen de charbon ou de gaz naturel.

Cela fait également de la production de fer et d’acier un grand consommateur de combustibles fossiles et un émetteur tout aussi important de gaz à effet de serre. La production de fer et d’acier est responsable d’environ 7 % des émissions totales de CO₂, soit plus que l’ensemble des émissions de l’UE.

Aujourd’hui, la majeure partie de la production mondiale d’acier se situe en Chine, qui produit plus de 55 % du total mondial, suivie par l’Inde (7 % de la production totale d’acier).

Source: GMK Center

La Chine et l’Inde utilisent principalement le charbon pour produire du fer et de l’acier, ce qui rend leurs processus de production d’importants émetteurs de CO₂.

L’hydrogène pour remplacer le charbon ?

Afin de remplacer le charbon, des méthodes de fabrication d’acier vert ont été proposées, la meilleure option étant d’utiliser de l’hydrogène à la place du charbon pour atteindre les températures élevées requises.

Le problème est que, jusqu’à présent, seul le minerai de fer de très haute qualité peut être utilisé avec de l’hydrogène. Un minerai moins cher, avec une teneur en fer plus faible, serait nécessaire pour compenser les coûts plus élevés de l’hydrogène par rapport au charbon.

C’est vrai, du moins dans les hauts-fourneaux, mais un nouveau procédé, appelé flash iron smelting, pourrait être différent.

Fer éclair

Le procédé a été décrit par le chercheur chinois le professeur Zhang Wenhai et son équipe dans un article publié dans la revue à comité de lecture Nonferrous Metals. Il affirme pouvoir réaliser le processus de fabrication du fer en seulement trois à six secondes, contre cinq à six heures requises par les hauts-fourneaux traditionnels.

L’idée clé est qu’au lieu d’utiliser de petits pellets de minerai de fer, il le broie en une poussière de très petites particules. Cela permet à la réaction transformant le minerai de fer en fer pur d’être quasi instantanée, plus semblable à une explosion qu’à une fonte lente du minerai.

Cela entraîne une oxydation éclair de la particule en quelques secondes.

Source: MDPI

Lance vortex de fer

Réduire le minerai de fer en fines particules n’est pas une étape très difficile ni une technologie complexe. Ce qui est beaucoup plus délicat, c’est de l’injecter dans le four de manière sûre et efficace.

Pour résoudre ce problème, l’équipe du Pr. Zhang a développé une lance vortex capable d’injecter 450 tonnes de particules de minerai de fer par heure. Un réacteur équipé de trois de ces lances produit 7,11 millions de tonnes de fer chaque année.

Plus important encore, cette technologie n’est pas seulement une expérience de laboratoire mais entre déjà en production commerciale.

Ce n’a pas été un succès du jour au lendemain, mais le résultat d’efforts à long terme commencés en 2013 lorsque l’équipe de Zhang a obtenu un brevet pour une technologie de fusion éclair capable de produire directement du fer liquide. Il a fallu dix ans pour affiner la méthode et la porter à l’échelle d’une usine pilote, démontrant que la production sûre à grande échelle était possible.

Source: News.com.au

Il convient également de noter que le professeur Zhang a de l’expérience dans la transformation de la science métallurgique. Il a révolutionné la production de cuivre avec une technique de fusion éclair similaire qu’il a appliquée au cuivre dans les années 1970. Il a reçu le premier prix du Prix national du progrès scientifique et technologique en 2000 et a été élu à l’Académie chinoise d’ingénierie en 2003.

Objectifs stratégiques de la Chine

Émissions de carbone

Comme la Chine est le leader mondial de la production d’acier, la dépendance excessive de ce processus au charbon a freiné les ambitions du pays de réduire les émissions de carbone. Cela rend également son industrie fortement dépendante du charbon importé, notamment d’Australie.

Ainsi, la Chine a un fort incitatif à développer des méthodes alternatives et à les déployer rapidement, surtout si cela permet l’utilisation de l’hydrogène à la place. Associé à son rôle de leader dans la production d’énergie verte, la Chine est bien placée pour devenir le leader de la production d’acier vert.

Redéfinir les marchés mondiaux du fer ?

Un autre aspect qui rend cette méthode unique est qu’elle fonctionne très bien avec des minerais à faible ou moyen rendement. Cela pourrait complètement redéfinir les marchés mondiaux du fer.

Actuellement, le minerai de fer de haute qualité et riche en fer provenant d’Australie constitue la principale source de fer pour les hauts-fourneaux et les usines sidérurgiques chinoises.

Source: S&P Global

Si la fusion éclair du fer avec de l’hydrogène est utilisée pour remplacer les hauts-fourneaux alimentés au charbon, l’offre nationale de minerai de fer de moindre qualité pourrait être utilisée à la place.

La relation entre la Chine et l’Australie s’est progressivement détériorée au cours de la dernière décennie, malgré la dépendance de la Chine au fer australien. Par exemple, lors de la guerre commerciale de 2020 avec l’Australie, le fer a été exclu des sanctions en raison de la forte dépendance du pays à son égard. Ainsi, résoudre cette vulnérabilité pourrait être perçu comme une impérative stratégique par la Chine, indépendamment du calcul économique.

Compagnie minière de fer

Vale

Une diminution des coûts de fusion du fer et des émissions de carbone pourrait rendre l’acier encore plus populaire qu’il ne l’est aujourd’hui. En matière d’exploitation minière, l’échelle et une bonne géologie sont essentielles, des coûts de production faibles permettant des profits plus élevés et une sécurité accrue lors des ralentissements, inévitables sur les marchés des matières premières.

La société brésilienne Vale est le plus grand producteur de fer et de nickel au monde, avec un total de 323 à 330 millions de tonnes produites en 2024.

L’entreprise produit également des métaux pertinents pour les « transitions énergétiques », comme le cuivre. Bien que ces métaux puissent être importants pour l’avenir, pour l’instant, le fer est le cœur de l’entreprise.

L’entreprise était auparavant plus diversifiée mais s’est recentrée sur le fer ces dernières années, ayant cédé des mines de divers autres métaux d’une valeur de 2 milliards de dollars ainsi que d’autres produits comme l’huile de palme.

Source: Vale

Grande base d’actifs

Vale se qualifie comme une entreprise de services publics de taille moyenne, exploitant son propre réseau ferroviaire, ses trains, ses ports et ses navires pour transporter le minerai de l’extraction jusqu’à la livraison aux clients.

Elle produit également une grande partie de son énergie, car elle opère dans des régions éloignées et ne peut pas compter sur le gouvernement brésilien pour assurer correctement son approvisionnement, surtout compte tenu de ses besoins énergétiques massifs.

Cela se faisait généralement avec l’hydroélectricité, car l’activité minière n’est pas très différente de la construction d’hydroélectricité (travaux de terrassement, creusement de roches avec des explosifs, quantités massives de béton, machinerie lourde, méga projets de construction, gestion des pluies, etc.).

Ces infrastructures sont complétées par le centre R&D de l’entreprise, ses laboratoires, des centaines de géologues, des centres de formation, etc.

Surmonter les responsabilités passées

Un grand risque pour une entreprise minière massive comme Vale est un accident majeur entraînant des dégâts considérables.

C’est ce qui s’est produit en 2015, avec une catastrophe massive survenue après l’effondrement d’un barrage construit par Vale. Puis un incident similaire en 2019.

Les inondations ont provoqué la pire catastrophe environnementale du Brésil à ce jour, ont fait 19 morts et ont touché 39 municipalités dans deux États, les ensevelissant sous des résidus miniers.

Depuis, de nombreux barrages similaires ont été réparés et/ou améliorés afin d’éviter une nouvelle catastrophe pendant la saison des pluies.

L’entreprise a également modifié son mode de fonctionnement, en investissant 2,5 milliards de dollars dans quatre usines de filtration pour créer des résidus secs (roche concassée, poussière et boue) au lieu de résidus humides nécessitant des barrages. Ainsi, à l’avenir, l’activité minière de fer ne générera plus le type de déchets nécessitant des barrages.

L’entreprise travaille également activement à réparer son image, insistant sur le fait que son activité minière, combinée à une grande réserve naturelle financée par l’entreprise, contribue de manière importante à la préservation de la forêt amazonienne, d’autres zones étant transformées en pâturages dans la région.

Source: Vale

Dans l’ensemble, Vale surmonte désormais ses problèmes passés liés aux catastrophes écologiques et devient l’un des actifs les plus précieux du Brésil ainsi qu’un fournisseur central de fer pour le monde, et la Chine en particulier, un pays avec lequel le Brésil renforce ses liens grâce au réseau commercial des BRICS.