Convertisseur (métallurgie)

Un convertisseur est un four servant de réacteur chimique pour une opération d'affinage des métaux en fusion.

Premier prototype de convertisseur de Bessemer. S'il n'a pas encore sa forme caractéristique en cornue, ce type de convertisseur vertical a été exploité industriellement en Suède au milieu du XIX^e siècle^[1].

Apparition du convertisseur

Le convertisseur apparaît avec l'invention du procédé Bessemer. Jusqu'ici l'affinage de la fonte en acier se faisait à l'état solide (fabrication d'acier naturel, puddlage, etc.), mais le four-réacteur inventé par Henry Bessemer est si différent des procédés connus jusqu'alors qu'un nouveau terme apparaît pour le désigner. Par extension, tous les appareils d'affinage des métaux en fusion qui en dérivent prennent le même nom. Les fours d'affinage du procédé Martin-Siemens sont d'un principe très différent, mais comme leur fonction est la même, ils ont pris — dans la langue française — le même nom.

On distingue deux types de convertisseurs :

• les cornues à soufflage d'air sous un bain de fonte liquide. Le procédé fut inventé par Henry Bessemer en 1855. Sidney Gilchrist Thomas le modernise en 1877 avec un revêtement réfractaire basique, le rendant ainsi capable d'affiner les fontes issues de minerais phosphoreux ;
• les fours à réverbère inventés par Carl Wilhelm Siemens en 1857. Pierre-Émile Martin les améliore en 1865.

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  Principe de fonctionnement du procédé Bessemer/Thomas.
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  Convertisseur Bessemer au Kelham Island Museum de Sheffield.
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  Convertisseur Thomas exposé à Dortmund.
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  Four Martin-Siemens du Musée de l'industrie de Brandebourg.

Part des différents procédés d'élaboration dans la production mondiale de l'acier (hors inox).

Évolutions

Sidérurgie

Ces deux technologies ont coexisté jusqu'à l'avènement des convertisseurs fonctionnant à l'oxygène pur, qui sont une amélioration des cornues Bessemer-Thomas. Quant au four Martin-Siemens, dont la polyvalence lui permet d'affiner la fonte comme de recycler les ferrailles, il a été remplacé par le four à arc électrique, exclusivement destiné au recyclage de ferrailles. On recense actuellement :

• les convertisseurs à soufflage par le bas, au moyen de tuyères métalliques refroidies grâce au craquage d'hydrocarbures. Ce procédé, efficace mais très difficile à maîtriser, est en cours de disparition ;
• les convertisseurs à soufflage latéral, comme les fours Kaldo, où le brassage de l'acier liquide est assuré par la rotation de la cornue, imitant la cinématique d'une bétonnière. Cette solution a disparu pour des raisons économiques, le coût de renouvellement des réfractaires, soumis à des chocs thermiques répétés, étant prohibitif ;
• les convertisseurs à soufflage par le haut, au moyen d'une lance. Ces convertisseurs s'inspirent tous du type LD (Linz-Donawitz), développé en 1952 par Voestalpine. Le brassage du métal liquide est assuré par la réaction chimique elle-même ;
• le type AOD (Argon Oxygen Decarburization) qui est une variante du LD, destiné à l'élaboration des aciers inoxydables. Dans ce convertisseur, l'oxygène est dilué dans de l'argon en proportion variable.

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  Convertisseur à soufflage par le bas de type LWS à La Providence Réhon
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  Ancien convertisseur Kaldo sur ses galets à Borlänge.
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  Convertisseur LD au Musée des techniques de Vienne.
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  Principe de fonctionnement du convertisseur LD.
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  Versement de la fonte liquide dans un convertisseur à oxygène à l'aciérie POSCO de Gwangyang.

Tableau comparatif entre différents fonctionnements typiques de convertisseurs en usage en 1971^[2].

Quantités de matières premières (en kg) consommées par tonne d'acier produite								Énergie et apport en O2
Procédé		Fonte brute		Ferraille		Additions diverses (laitier et métal)	Mise au mille	Combustible (MJ/t)	Oxygène (m³/t)
		Liquide	Solide	Acier	Fonte moulée
Procédé Martin-Siemens	Acide		182	848	47	85	1 162	6 200
	Basique	493	93	492	32	185	1 299	4 280
Convertisseurs à l'oxygène	Kaldo	583	11	425	137	127	1 283		65
	LD	838	12	282	4	316	1 252		57
	Rotor	840	160 (minerai de fer)			NC*	NC		72,5
Four à arc électrique		19	32	1 002	23	105	1 181	1 283 (485 kWh)	4

NC: Non Communiqué

Métallurgie extractive des métaux non-ferreux

Le convertisseur Manhès-David, est développé dans les années 1870 par l'industriel français Pierre Manhès et son ingénieur Paul David, pour affiner les mattes de cuivre. Inspiré du procédé Bessemer, il consiste en l'utilisation d'un convertisseur Bessemer pour oxyder avec de l'air les éléments chimiques indésirables (essentiellement le fer et le soufre) contenus dans la matte afin de l'affiner pour obtenir du cuivre pur. L'adaptation la plus notable consiste en des tuyères latérales, puis en une forme de cylindre horizontal. En 1905, les américains William H. Peirce et Elias Anton Cappelen Smith augmentent significativement ses performances en changeant son revêtement réfractaire^[3]. Au début du XXI^e siècle les convertisseurs Peirce-Smith interviennent dans 90 % de l'extraction du cuivre^[4], et dans 60 % de l'extraction du nickel^[5].

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  Convertisseur Manhès-David vertical en 1895 à Grand Sudbury. Sa filiation avec la cornue du convertisseur Bessemer est évidente.
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  Principe du convertisseur Manhès-David horizontal, en 1912.
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  Convertisseur Peirce-Smith en 1954 à Mount Isa.