Utilisation du charbon de bois dans les hauts-fourneaux

SECRÉTARIAT DE LA FAO

Document préparé par la FAO pour un colloque des Nations Unies sur l'application des derniers progrès des techniques de la sidérurgie dans les pays en voie d'industrialisation, 1963.

Pendant longtemps, dans l'histoire de la sidérurgie, on s'est servi exclusivement du charbon de bois comme combustible et agent réducteur. La raréfaction du bois dans certains pays a amené à remplacer le charbon de bois par le coke, même dans la plupart de pays possédant d'abondantes ressources forestières. D'une façon générale, le coke est associé à l'idée des hauts-fourneaux à fort rendement et le charbon de bois est considéré comme un combustible inférieur. Malgré une évolution générale certaine vers l'abandon du charbon de bois, plusieurs pays l'utilisent pour alimenter des hauts-fourneaux et des plans ont même été préparés pour développer certaines installations. Il serait intéressant d'étudier les cas où le charbon de bois a la préférence, afin de déterminer les principaux facteurs économiques et techniques de ce choix. Certaines données montrent que les progrès techniques réalisés dans la foresterie, la carbonisation du bois et le fonctionnement des hauts-fourneaux ont joué en cela un rôle important. A. Constantine 1 affirme dans une étude que «dans les conditions d'exploitation modernes, le charbon de bois peut être aussi économique et efficace que le coke pour la fonte du minerai de fer dans un haut-fourneau classique, à condition toutefois que l'approvisionnement en matière première soit adéquat».

D'autre part, plusieurs communications présentées au colloque des Nations Unies font état de la rareté et du prix élevé du coke métallurgique, qu'il faut souvent transporter sur de grandes distances.

Il y a environ deux siècles, pour produire une tonne de fonte brute, il fallait, en Suède¹, plus de deux tonnes de charbon de bois. Actuellement, il suffit normalement d'environ 0,7 tonne de charbon de bois (de qualité correspondante à celle du coke) que l'on peut obtenir avec seulement 5 mètres cubes de bois résineux, étant donné l'amélioration des rendements de la carbonisation. Avec des bois de feuillus, la quantité de bois nécessaire pourrait se réduire à 3,5 mètres cubes ou même moins avec des bois très lourds. Comme on le voit, des économies substantielles ont été réalisées dans l'utilisation du bois et du charbon de bois.

¹ Arpi, G. Den svenska jarnhanteringens trakolsforsorjning 1830-1950, Jernkontoret, Stockholm, 1951.

UTILISATION ACTUELLE DU CHARBON DE BOIS DANS LES HAUTS-FOURNEAUX

Afin de déterminer la valeur du charbon de bois dans la production de la fonte brute, nous commencerons par examiner quelques-unes des entreprises qui fonctionnent actuellement au charbon de bois.

La Charcoal Iron Industry, Wundowie, Australie Occidentale

Il s'agit d'une industrie intégrée faisant le sciage, la carbonisation du bois et la fonderie. Les faits principaux peuvent être résumés comme suit²:

La forêt est de composition très uniforme et pratiquement l'usine n'utilise qu'une seule espèce d'eucalyptus. Les résidus d'abattage et de sciage atteignent 70 pour cent du matériel sur pied. La forêt est exploitée sur la base d'un rendement soutenu sur une révolution de cent ans. Dans un rayon d'une quarantaine de kilomètres, on récolte tout le bois nécessaire pour produire 170000 tonnes de fonte brute par an et dans un rayon de 65 kilomètres, distance maximum pour un transport économique, il y a assez de bois pour produire 400000 tonnes de fonte. L'entreprise s'est développée en deux phases. Tout d'abord, une usine-pilote produisant 10000 tonnes de fonte a commencé à fonctionner en 1948 et était devenue économiquement indépendante en 1953. La production a été portée à 50000 tonnes en 1958, l'usine est économiquement saine et il est prévu d'en porter le potentiel à 250000 tonnes par an

² Constantine, A. Charcoal blast furnace operations, Wundowie, W. Australia.

La carbonisation se fait dans des fours continus qui donnent un rendement de 37 pour cent du bois sec. Les fours de carbonisation sont intégrés avec un haut-fourneau. Toutes les opérations sont hautement mécanisées, y compris le travail en forêt, et le bois préparé pour le chargement des cornues revient à moins de 4 dollars U.S., par tonne. Le charbon de bois revient à environ 20 dollars la tonne et l'on espère ramener ce coût à 18 dollars.

La fonte brute obtenue est d'une grande pureté et contient moins de 0,015 pour cent de soufre, environ 0,03 pour cent de phosphore et pratiquement aucune autre impureté.

Le bois utilisé est d'une très grande densité et donne un charbon dur pesant environ 300 kilogrammes au mètre cube. C'est, entre autres, sur ces données que s'appuie l'auteur de l'étude en question pour affirmer qu'apparemment rien n'obligerait à limiter la dimension des hauts-fourneaux à charbon de bois. Dans les plans d'expansion, on prévoit la construction d'unités d'une capacité de 400 tonnes de fer par jour avec une hauteur utile de 19,50 mètres et un diamètre de foyer de 4,5 mètres.

Belgo-Mineira Steel Co., Monlevado, Brésil

Cette société s'est installée sur le haut-plateau brésilien de Minas Geraes où il n'existe pas de coke. L'établissement utilise du charbon de bois fabriqué avec les deuxième-troisième recrûs d'une forêt tropicale hétérogène et des plantations d'eucalyptus. Actuellement, les plantations ne fournissent que 10 pour cent du bois nécessaire, mais ce pourcentage augmente chaque année et devrait atteindre 100 pour cent en 1983, pour une production de fer de 500000 tonnes. La superficie totale des plantations nécessaires pour assurer un tel volume de production est de 136000 hectares produisant 2,5 millions de mètres cubes pleins par an. Le remplacement des arbres se fait au bout de 22 ans avec abattage en coupes rases intermédiaires tous les 8 à 15 ans. Le rendement moyen, d'environ 20 mètres cubes pleins par hectare et par an, est plus élevé que celui de la forêt naturelle. Les espèces plantées donnent un bois relativement lourd. Le charbon provenant de la forêt hétérogène paraît tout à fait satisfaisant, mais la densité et la texture du bois sont variables tandis que les plantations donnent plus uniformément un bois de haute qualité.

Les opérations en forêt sont moins mécanisées que dans l'exemple précédent et, jusqu'à présent, la carbonisation s'est effectuée dans des fours discontinus en briques. Un four continu, dont la capacité sera d'environ 60 tonnes par jour, est en construction. Le coût du bois de plantation rendu au four de carbonisation est estimé à 2,5 dollars U.S., la tonne de bois sec. Le charbon obtenu revient à environ 8 dollars la tonne, alors que le charbon de bois provenant de la forêt naturelle est moins cher.

Autres pays

En U.R.S.S., un nombre imprécise de hauts-fourneaux sont alimentés au charbon de bois et le Japon produit quelque 30000 tonnes de fer au charbon de bois par an. En Suède, le charbon de bois est moins utilisé à l'heure actuelle, surtout en raison du prix élevé de la matière première qui est très demandée aussi par les industries de la pâte et du papier; mais jusqu'en 1948, 31 pour cent de la fonte étaient fabriqués au charbon de bois. En Suède, ce charbon était obtenu surtout avec du bois de résineux, qui donnait un produit relativement léger, tandis qu'au Japon, le charbon de bois métallurgique est fabriqué avec du chêne et donc lourd.

PROPRIÉTÉS TECHNIQUES DU CHARBON DE BOIS MÉTALLURGIQUE

Le charbon de bois doit avoir, pour être utilisable dans les hauts-fourneaux, deux propriétés importantes: la résistance à la compression (dureté) et une certaine composition chimique.

Il doit avoir une forte résistance à la compression pour ne pas s'écraser dans le foyer, ce qui réduirait la hauteur utile des hauts-fourneaux et la production spécifique par unité de volume. La plupart des charbons de bois métallurgiques fabriqués dans l'hémisphère septentrional étaient de faible densité car ils provenaient de bois de résineux ou de feuillus de densité moyenne. La production de Wundowie a des caractéristiques assez différentes et l'on affirme qu'avec des charbons de cette qualité, c'est le ramollissement du minerai de fer et non le charbon de bois qui limite la hauteur et la capacité du haut-fourneau. En outre, le rendement spécifique par unité de volume du haut-fourneau est plus élevé qu'avec le charbon de bois léger.

On trouvera au tableau 1 ci-après quelques chiffres sur la dureté et autres propriétés des différents types de charbon de bois.

Comme on le voit dans ce tableau, les valeurs de dureté varient dans une très large mesure. On trouvera d'autres données relatives à la dureté du charbon de bois fabriqué avec des bois européens dans un ouvrage de la FAO³, mais ces données ne sont pas comparables avec celles du tableau 1.

³ FAO, La carbonisation du bois par fours transportables et installations fixes, Rome 1955.

Les principaux facteurs dont dépendent la densité et la dureté du charbon de bois sont: l'essence utilisée, la dimension des bûches introduites dans le four et la méthode de carbonisation. En général, les bois lourds donnent un charbon dense et dur; on les préfère aux bois légers pour la métallurgie. Il s'ensuit que la carbonisation d'un lot de bois de diverses essences donne un produit de dureté non uniforme. Lorsque ces bois ont des densités très différentes, il est parfois nécessaire de trier et mettre à part les bois légers si le charbon doit répondre à des conditions de dureté très précises.

Quant aux propriétés chimiques que doit avoir le charbon de bois utilisé pour la production de fonte, la teneur en produits volatils et en cendres sont les caractères les plus importants. Les cornues modernes permettent de régler d'une manière satisfaisante la teneur en carbone et en produits volatils; il ne devrait donc pas y avoir de difficultés de ce côté, même si le bois n'est pas de composition uniforme.

TABLEAU 1. - Analyse de charbons de bois

Pays	Type de charbon	Bois	Méthode de carbonisation	Produits volatils	Cendres	Humidité	Dureté1	Pouvoir calorifique2
				Pourcentage
Japon	noir3	Quercus glandulifera	four	6-20	2	6-8	6-12	7000-7600
Japon	«blanc»	chêne	four	5	3	8-10	12-20	6800-7000
Etats-Unis	noir	noyer d'Amérique	-	20-30	3	6	18	7500
Mexique	noir	-	méthode Miller	10-30	3	6-8	-	7200
Inde	noir	-	fosse	20-30	5-10	6	5-15	7200
Yougoslavie	noir	hêtre	four	15-20	3	7-8	1	7200

SOURCE: Forest Experiment Station, Meguro, Charcoal Section. Outline of Japanese charcoal and charcoal study, 1960.
1 La dureté a été déterminée par l'appareil Miura.
2 Le pouvoir calorifique a été calculé d'après les données des analyses industrielles.
3 Type de charbon utilise au Japon dans la métallurgie.

Le charbon de bois a la même teneur en cendres que le bois, laquelle varie considérablement selon l'essence. La teneur totale en cendres devrait être aussi faible que possible. Une teneur de 0,24 pour cent est donnée comme excellente et une de 1,5 pour cent comme maximum. A Wundowie, la teneur en cendres est très faible, à savoir 0,25 pour cent. Après la teneur totale en cendres, c'est la teneur en phosphore et en soufre qui est la plus importante. En général, la teneur en soufre est très faible et le charbon de bois permet d'obtenir un fer très pur quant au soufre. La teneur en phosphore varie très largement non seulement d'une essence à l'autre mais aussi dans la masse d'un même arbre et selon la composition du sol. En Suède, les feuillus contiennent quatre fois plus de phosphore que les résineux. Toutefois, même chez les feuillus, la teneur en phosphore est, en général, assez faible pour donner de la fonte de grande pureté. Les chiffres qui caractérisent la teneur en phosphore du charbon de bois suédois sont: environ 0,01 pour cent pour le charbon de résineux et environ 0,04 pour les charbons de feuillus⁴. La teneur en phosphore et en soufre du charbon de bois métallurgique de Wundowie est respectivement de 0,03 et 0,015 pour cent.

⁴ Bergstrom H. Kolning i ugn, Jernkontoret, Uppsala, 1947.

La teneur en cendres des feuillus tropicaux est extrêmement variable et certains d'entre eux contiennent beaucoup de silice. Cette teneur en cendres est un élément auquel il faudra certainement veiller dans tout nouveau projet tendant à utiliser des bois tropicaux hétérogènes, quoiqu'on n'ait signalé aucune difficulté à cet égard lors de l'utilisation des bois brésiliens.

Parmi les autres caractères analytiques, l'humidité a son importance pour la bonne marche des opérations de fonte. Il faut par conséquent éviter que le charbon de bois absorbe de l'humidité.

DISPONIBILITÉS DE BOIS

Comme nous l'avons déja dit, on a commencé à utiliser le coke pour la production de la fonte surtout à cause du manque de bois. Si, d'une part, la consommation de bois par tonne de fer a diminué grâce aux progrès de la technique et que la quantité de bois nécessaire pour la fonte actuellement est moins élevée, d'autre part, l'augmentation de la production de la plupart des fonderies modernes a agi dans le sens opposé. Le tableau 2 donnera une idée de la consommation de bois, de la superficie forestière nécessaire et des distances correspondantes de transport pour une fonderie.

On a considéré dans ce tableau des usines de capacités très différentes. Notons qu'en ce qui concerne la consommation de bois, la fabrication de la fonte et celle de la pâte chimique se tiennent de près, à savoir près de 2 tonnes par tonne de produit fabriqué. Du point de vue forestier, un projet de 300000 tonnes peut être déjà considéré comme très important; on ne trouve pas beaucoup d'usines de pâte qui consomment davantage de bois. Les données présentées pour Wundowie mentionnent les résultats économiques et les prévisions pour des productions de 50000 et 300000 tonnes par an respectivement. Avec les hypothèses faites au tableau 2, une usine de 50000 tonnes devrait disposer d'un rayon d'exploitation forestière d'environ 18 kilomètres correspondant au plus faible niveau de production. Une usine de 300000 tonnes par an aurait besoin d'un rendement minimum de 6 à 7 mètres cubes par hectare et par an pour ne pas dépasser le rayon d'exploitation prévu à Wundowie, c'est-à-dire 40 kilomètres. Un rendement de cet ordre devrait être possible dans des pays à climat subtropical ou tropical et où les pluies sont suffisantes. Il est à noter que le rendement moyen envisagé dans le programme de plantations de Monlevado dépasse 20 mètres cubes par hectare et par an.

On devrait donc pouvoir trouver ou produire dans beaucoup d'endroits, sur la base d'un rendement soutenu, du bois en quantité suffisante pour alimenter des fonderies même relativement importantes. Actuellement, c'est le plus souvent la forêt tropicale hétérogène et les plantations à croissance rapide qui pourraient le mieux fournir le charbon de bois nécessaire à la production de fonte. On pourrait notamment, dans certains cas, exploiter à blanc certaines forêts tropicales ou subtropicales hétérogènes dont le bois est actuellement à peu près inutilisable, en rejetant certaines espèces à bois trop léger ou donnant un trop fort pourcentage de cendres. On reboiserait ensuite avec des essences appropriées à fort rendement. On pourrait aussi appliquer la méthode de régénération naturelle avec suppression des essences indésirables, mais cette solution serait sans doute moins intéressante

TABLEAU 2. - Quantités de bois nécessaires, superficie forestière et distances de transport correspondant a des fonderies de grandeurs différentes

Dimension de l'usine, en tonnes de fonte par an	Bois nécessaire		Production de charbon de bois en m3 par ha de forêt et par an
	Milliers de tonnes par an	Milliers de m3 pleins par an	5 m3 par ha et par an		10 m3 par ha et par an		20 m3 par ha et par an
			Superficie forestière ha	Distance maxima de transport km	Superficie forestière ha	Distance maxima de transport km	Superficie forestière ha	Distance maxima de transport km
20000	40	70	14000	12	7000	8	3500	6
50000	100	170	34000	18	17000	13	8500	9
100000	200	340	70000	26	35000	18	17000	13
200000	400	700	140000	36	70000	26	35000	18
300000	600	1000	200000	44	100000	31	50000	22
500000	1000	1700	340000	57	170000	40	85000	29

NOTE: Les hypothèses suivantes ont été faites: consommation de charbon de bois, 0,7 tonne par tonne de fonte, rendement en charbon 35 pour cent; densité du bois, 0,6; un tiers de la superficie autour de l'usine disponible pour l'approvisionnement en bois.

Dans quelques cas aussi on peut trouver du bois à très bon compte, par exemple dans les plantations d'hévéas et d'acacias. Pour les premières, on a pu évaluer pour la Thaïlande⁵ la quantité de bois qui serait disponible sur une base de production soutenue. D'après les chiffres obtenus, en faisant la part du bois d'hévéa utilisé pour fumer le caoutchouc (1,3 m³/ha/an), on pourrait disposer approximativement de 4 mètres cubes par hectare et par an à des fins industrielles. Quant aux plantations d'acacias, qui peuvent produire 5 à 10 mètres cubes par hectare et par an, le bois laissé sur pied après écorçage pour la récolte du tanin est souvent à peu près inutilisable à d'autres fins.

⁵ Nations Unies/FAO, Pulp and paper prospects in Asia and the Far East, Vol. II, Bangkok, 1962.

PRIX DE REVIENT DU BOIS ET DU CHARBON DE BOIS

On peut prendre le prix du coke métallurgique comme limite supérieure du prix de revient du charbon de bois utilisé dans la fabrication de la fonte. Si l'on prend le prix du coke comme base de comparaison, on suppose évidemment que le coke et le charbon de bois se correspondent à quantités sensiblement égales. On suppose également que le charbon de bois obtenu est d'une qualité telle qu'il donnera dans les hauts-fourneaux le même rendement que le coke. Même dans ces conditions, l'utilisation du charbon de bois exige une plus grande mise de fonds, aussi bien pour la carbonisation que pour l'aménagement et l'exploitation de la forêt. Si le charbon de bois est de qualité inférieure il faudra compenser ce désavantage par un prix inférieur, autrement la fonte reviendrait plus cher avec le charbon de bois qu'avec le coke.

Plusieurs des communications présentées au Colloque des Nations Unies mentionnent la quantité réduite du coke entrant dans le commerce international, et le fait que ce combustible doit être souvent transporté sur de longues distances. Le prix de 16 dollars par tonne⁶ est cité pour le coke rendu à l'usine sur la côte est des Etats-Unis. Le prix de revient indiqué plus haut pour le charbon de bois utilisé au Brésil est bien inférieur. Et, même dans l'exemple donné pour l'Australie, il est évident qu'avec les frais de transport le coke serait plus cher que le charbon de bois produit sur place.

⁶ Brown, H. R. et W. R. Hesp. Substitutes for coking coals in iron ore reduction. Interregional symposium, 1963.

Mais, dira-t-on, le coût d'environ 5 à 6 dollars par tonne indiqué comme maximum admissible pour le bois de carbonisation est déjà un chiffre très bas. On peut le comparer avec les 20 à 30 dollars par tonne que coûte le bois de résineux à pâte en Europe et le prix, à peu près deux fois moins élevé, du bois de feuillus à pâte aux Etats-Unis. En 1953, on a étudié des projets d'usines à pâte qui devaient être alimentées avec des essences tropicales à Amapa, en Amazonie (Brésil) et au Yucatan⁷. Le coût du bois de chauffe augmentait quelque peu, d'après cette étude, avec la dimension de l'usine, mais on le chiffrait par environ 4,70 et 2,30 dollars respectivement pour une usine de 200000 tonnes par an.

⁷ Nations Unies/FAO, Pulp and paper prospects in Latin America, New York, 1955.

Une excellente organisation et une planification très précise seront évidemment nécessaires même dans des conditions favorables pour se maintenir au prix de revient très modeste indiqué précédemment, mais l'exemple donné pour l'Australie prouve que ce prix de revient peut être atteint même si les salaires de la main-d'oeuvre sont élevés.

CONCLUSIONS

Des renseignements recueillis sur les expériences effectuées récemment avec des hauts-fourneaux alimentés au charbon de bois, on peut raisonnablement formuler les conclusions ci-après:

a) La production de fonte dans des hauts-fourneaux alimentés au charbon de bois exige à peu près autant de charbon que de coke, à savoir 0,7 tonne par tonne de produit. Cela correspond à environ 2 tonnes de bois sec par tonne de fer Etant donné que la production de fonte se fait généralement dans des usines relativement grandes, il s'ensuit que les opérations forestières nécessaires pour alimenter en charbon de bois les hauts-fourneaux devraient être normalement du même ordre que pour les usines de pâte.

b) Le charbon de bois obtenu avec des bois lourds se comporte aussi bien que le coke dans les hauts-fourneaux et peut être utilisé dans des usines produisant jusqu'à 400 tonnes par jour. Les charbons de bois plus légers réduisent la taille maximum d'une usine aussi bien que la capacité des hauts-fourneaux.

c) Il est possible dans certains endroits de produire du charbon de bois à un prix comparable ou inférieur à celui du coke métallurgique. Il faut pour cela une organisation forestière importante, mécanisée selon les possibilités locales, et des cornues de carbonisation fonctionnant en continu.

d) Le volume important de bois nécessaire d'une manière continue pour alimenter une fabrique de fonte, ainsi que les exigences en ce qui concerne le prix de revient du bois et du charbon de bois fabriqué et la qualité du produit limitent considérablement le nombre de localités qui présenteraient les conditions favorables à une telle entreprise.

e) Ces conditions existeraient cependant dans des régions qui permettent la plantation d'essences à fort rendement, où la pression démographique est faible et où les frais de transport offrent une protection naturelle contre la concurrence du coke.

f) L'aménagement forestier pourrait s'effectuer en transformant graduellement la forêt hétérogène naturelle en plantations de composition uniforme. Il y a là l'une des quelques possibilités offertes à l'utilisation à grande échelle des peuplements feuillus hétérogènes, v compris la forêt dense.