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Sélection d'un agent de désulfuration de l'acier : carbure de calcium, à base de magnésium ou chaux – lequel offre le coût global le plus bas ?
2026-01-12
Les principaux facteurs favorisant la désulfuration à chaud de l'acier sont les tendances environnementales et liées aux matériaux. L'objectif de développement durable fixé par les organismes de protection de l'environnement exige la réduction des émissions de CO2 issues des procédés de fabrication de l'acier. Ceci entraînera un recours accru à la ferraille, qui présente généralement des niveaux d'impuretés plus élevés, notamment en soufre et en phosphore.
L'utilisation de la ferraille comme matière première entraînera une demande accrue de désulfuration, ce qui soulève la question principale : quel agent de désulfuration – carbure de calcium , magnésium ou chaux – offre le coût global le plus avantageux ? L'analyse nécessite d'évaluer les réactions du carbure de calcium, du magnésium et de la chaux avec le soufre et les autres impuretés présentes dans l'acier. Une simple comparaison de leur prix d'achat ne suffit pas à évaluer leur rentabilité.
Cet article explore les mécanismes et procédés de désulfuration, et compare les réactifs disponibles pour l'amélioration de l'acier. Nous y aborderons également les performances de chaque matériau. Enfin, nous procéderons à une analyse globale des coûts. Commençons par les notions de base.
Pourquoi retire-t-on le soufre de l'acier ?
La présence de soufre dans l'acier modifie ses caractéristiques physiques. Il s'agit d'une impureté présente dans l'acier brut ; son élimination permet d'obtenir un acier « propre ». La présence de soufre dans l'acier est à l'origine de problèmes tels que la fragilité à chaud, une mauvaise soudabilité, une résistance réduite à la corrosion et des émissions de SO₂ . Par conséquent, différents mécanismes et réactifs peuvent être utilisés pour éliminer cet élément indésirable.
Mécanismes de désulfuration et configurations de procédés
Principe de désulfuration
Notre objectif est d'éliminer efficacement le soufre du métal en fusion, dont la teneur est généralement comprise entre 0,02 % et 0,06 % en poids. L'ajout de réactifs entraînera la condensation des impuretés en surface sous forme de scories, facilement éliminables, ou leur évaporation sous forme gazeuse.
Les paramètres clés à prendre en compte dans le processus de désulfuration sont le pourcentage de soufre éliminé (efficacité), la capacité de rétention du soufre et le transfert de masse entre le réactif et le métal. Chaque type de laitier possède une capacité de rétention du soufre différente, c'est-à-dire son aptitude à retenir le soufre. La vitesse intrinsèque du mouvement du soufre correspond à son coefficient de diffusion, qui est d'environ 1,2 x 10⁻⁵ m/s.-8 m 2 /s à 1350 °C.
Réactions chimiques
Chaux (CaO)
CaO + [S] → CaS + [O]
La chaux réagit avec la chaux pour former du sulfure de calcium et libérer de l'oxygène. Cependant, le processus est lent car une couche dense (par exemple, 2CaO.SiO₂ ) se forme immédiatement, bloquant la poursuite de la réaction. L'ajout de chaux au métal en fusion ne présente aucun avantage.
Carbure de calcium ( CaC2 )
CaC 2 + [S] → CaS + 2[C]
Lorsque le carbure de calcium réagit avec le soufre, il forme du sulfure de calcium, semblable à la chaux. Cependant, il produit également du carbone, qui forme une couche de graphite autour de la particule. Ce processus limite la diffusion, mais celle-ci peut être maîtrisée en contrôlant la taille des particules. Un autre avantage du carbure de calcium est la chaleur qu'il dégage, contribuant ainsi au maintien de la température du métal en fusion.
Magnésium (Mg)
Mg + [S] → MgS ( solide )
La réaction entre le magnésium et le soufre est beaucoup plus rapide que les deux autres. Le magnésium se vaporise lors de la réaction à 1090 °C. Les composés soufrés se nucléent en phase gazeuse. Ce processus apporte de la chaleur au métal en fusion et minimise la production de scories.
Données sur la performance et l'efficacité
● Magnésium (Mg) : Il offre la plus grande efficacité, éliminant 85 % à 95 % du soufre en moins de 5 minutes.
● Carbure de calcium (CaC₂ )): Les particules de carbure de calcium permettent d'atteindre un taux d'élimination de 65 à 90 %. Cependant, ce taux est sensible à la taille des particules. L'utilisation de particules de 11,8 µm permet d'atteindre un taux d'élimination de 90 %.
● Chaux (KR) : Efficacité la plus faible, éliminant 50 à 70 % en 10 à 20 minutes.
Les particules de réactif restent en contact avec le métal pendant un laps de temps très court (environ 0,4 seconde) lorsqu'elles sont injectées sous forme de poudre dans du métal en fusion à l'aide d'une lance immergée. Dans le cas de l'ajout de carbure de calcium de 2 à 10 mm, ce temps passe à 20-40 secondes. Par souci de comparaison, nous considérerons la forme en poudre dans tous les cas. Le taux de pénétration (β), qui correspond à la profondeur d'injection du réactif, est généralement de 23 à 29 %.
Procédés de désulfuration
● KR (Réacteur de Kanbara)
Ce procédé utilise de la chaux et une hélice rotative à 100 tr/min pour le mélange (10 à 20 min). Il génère une quantité importante de scories, mais le coût des réactifs est faible. Le procédé est contrôlé afin de garantir la basicité du mélange et de limiter les pertes de fer dues à l'élimination des solides.
● MMI (Mono-injection de magnésium)
Des granules de magnésium ont été injectés (en moins de 5 min). La réaction est rapide grâce à la température de 1090 °C (vapeur). L'ensemble du procédé produit peu de scories. Le principal inconvénient de l'injection de magnésium est la revulcanisation, c'est-à-dire la réabsorption du soufre par le métal en fusion.
● Co-injection
Le procédé utilise des mélanges de magnésium et de chaux. Ce mélange, sous forme de poudre, est injecté dans le métal en fusion à l'aide d'un gaz inerte, tel que l'azote, afin d'améliorer le mélange. Le gaz favorise le mélange en formant des bulles.
● Co-injection de la poche de coulée torpille
La poche de coulée torpille est la poche de transport qui achemine le métal en fusion du haut fourneau à l'aciérie. Elle utilise un mélange de carbure de calcium et de chaux, co-injecté dans le métal en fusion à l'aide d'un gaz inerte pour le brasser. Ce procédé permet d'éliminer le soufre du métal. La réaction exothermique qui en résulte limite la chute de température.
Caractéristiques et manipulation détaillées des réactifs
Voici les profils des trois réactifs de désulfuration convertis en points clés :
1. Profil de la chaux (CaO)
● Coût et utilisation : Réactif le moins cher (150 $/tonne) et également l'agent principal du procédé KR.
● Inconvénients : Provoque une perte de fer importante de 0,5 à 2,5 % en raison de la formation d'un laitier épais.
● Cinétique : Réaction lente, limitée par des couches comme 2CaO.SiO 2 .
● Performance : Alors que 50 à 70 % constituent une base pour les procédés CaO simples, la métallurgie en poche moderne et optimisée comme le procédé KR avec un brassage et un fluxage importants permet d'atteindre régulièrement des taux de désulfuration élevés, souvent supérieurs à 90 % par rapport aux niveaux initiaux de soufre du métal en fusion.
2. Profil du carbure de calcium ( CaC₂ )
● Coût et utilisation : Utilisé dans des mélanges de co-injection économiques ( 380 $/tonne)).
● Cinétique : L’élimination est limitée par la formation d’une coque de graphite autour des particules. Elle est très efficace avec une granulométrie appropriée. La granulométrie la plus avantageuse et économique se situe entre 2 et 10 mm, car elle permet une sédimentation au fond de la poche de coulée.
● Sécurité : Le principal risque est une réaction violente avec l'eau (formation d'acétylène).
3. Profil du magnésium (Mg)
● Coût et utilisation : Réactif le plus cher (2 270 $/tonne) . Utilisé pour atteindre des teneurs en soufre extrêmement faibles (moins de 10 ppm) dans le procédé MMI.
● Cinétique : Agent le plus rapide, permettant d'atteindre des taux d'élimination plus élevés.
● Pertes : Provoque une perte minimale de scories/fer, mais est très sensible à la perte de réactif due à l'ébullition.
● Limitation : L'efficacité diminue dans les métaux à haute teneur en carbone (par exemple, HIsarna) car le graphite bloque la réaction.
Métrique | Citron vert | carbure de calcium | Magnésium |
% d'élimination | 50-70 | 65-90 (90 amende) | 85-95 |
Temps minutes | 10-20 | 5-12 | moins de 5 ans |
scories kg par tonne | 10-15 | 8-12 | moins de 5 ans |
Pourcentage de fer perdu | 2-3 | moins d'un an | moins d'un an |
Baisse de température °C | 25-40 | 15-25 | ajoute de la chaleur |
Teneur finale en soufre (parties par million) (à partir de 400) | 100-200 | 10-50 | moins de 10 ans |
Analyse des coûts
Comme indiqué précédemment, l'analyse des réactifs nécessite la comparaison des prix, des taux de consommation et des pertes liées au procédé (pertes de fer et d'énergie) pour chaque méthode. Une simple comparaison de leur coût initial peut être trompeuse. Nous allons donc réaliser une analyse des coûts de la chaux, du magnésium et du carbure de calcium pour différents procédés. Nous utiliserons l'analyse des coûts de Schrama, FNH (2021) dans son article « Désulfuration dans la sidérurgie du XXIe siècle » et les prix les plus récents (troisième trimestre 2025). Avant de poursuivre, veuillez consulter la note suivante :
Note sur le modèle de coûts et les sources de données :
Les chiffres de consommation, les valeurs de perte de fer, les pénalités de température et les coûts d'usure/N₂ sont tirés directement de Schrama, FNH (2021) – Désulfuration dans la sidérurgie du XXIe siècle, TU Delft. La plupart des données industrielles de la thèse proviennent de Tata Steel IJmuiden (conditions d'exploitation 2017-2020).
Les coûts réels dans d'autres usines varieront en fonction de la composition locale de la fonte, de la conception des équipements, de la qualité des réactifs, du coût de la main-d'œuvre et du prix de l'énergie. Le classement relatif (Mg le moins cher → Co-injection → CaC₂ + chaux → KR-chaux le plus cher) et l'ampleur des pénalités ont été confirmés dans plusieurs aciéries intégrées européennes et asiatiques, mais les chiffres absolus en $/tHM doivent être considérés comme indicatifs et non comme universellement applicables.
Tarifs (Groupe IMARC uniquement) :
● Citron vert : 150 $/tonne (Rapport Quicklime, T3 2025)
● Carbure de calcium : 380 $/tonne (Rapport sur le carbure de calcium, octobre 2025)
● Magnésium : 2 270 $/tonne (Rapport sur le magnésium, 3e trimestre 2025)
Consommation de réactifs de Schrama (2021), chapitre 8.4.2, 8.5.1 :
Processus | Chaux (kg/tHM) | CaC 2 (kg/tHM) | Mg (kg/tHM) |
KR-Lime | 12–15 | — | — |
MMI-Mg | — | — | 0,6–0,8 |
Co-injection (Mg+Chaux) | 4–5 | — | 0,3–0,4 |
Mélange CaC 2 + citron vert | 4–6 | 6–8 | — |
Facteurs de pénalité de Schrama (2021) :
Facteur | Valeur | Source |
Perte de fer (KR-Lime) | 25 kg/tHM | Chapitre 3, p. 61 |
Perte de fer (autres) | 8 kg/tHM | Chapitre 3, p. 62 |
Baisse de température (citron vert) | 30°C | Chapitre 2, page 30 |
Baisse de température (CaC 2 ) | 15°C | Chapitre 2, page 30 |
Baisse de température (Mg) | 0°C net | Chapitre 2, page 30 |
Prix du fer | $420/MT | Chapitre 8, p. 164 |
Coût temporaire | 0,045 $/°C | Chapitre 8, p. 165 |
N 2 + usure (KR) | 1,25 $/tHM | Chapitre 8, p. 165 |
N 2 + usure (MMI/Co-injection) | 0,55–0,80 $/tHM | Chapitre 8, p. 166 |
Calcul du coût étape par étape (par tHM)
Processus | Coût des réactifs | Perte de fer | Temp | Usure/N 2 | Environnement | TOTAL |
KR-Lime | 13,5 kg x 150 $/1000 = 2,04 $ | 25 kg x 0,42 $ = 10,50 $ | 30 °C x 0,045 $ = 1,35 $ | $1.25 | $0.25 | $15.39 |
MMI-Mg | 0,7 kg x 2 270 $/1 000 = 1,59 $ | 8 kg x 0,42 $ = 3,36 $ | $0.00 | $0.55 | $0.15 | $5.65 |
Co-injection (Mg+Chaux) | (4,5 kg x 150,67 $ + 0,35 kg x 2 270 $)/1000 = 1,47 $ | $3.36 | 10 °C x 0,045 $ = 0,45 $ | $0.80 | $0.15 | $6.23 |
Mélange CaC 2 + citron vert | (5 kg x 150,67 $ + 7 kg x 380 $)/1000 = 3,41 $ | $3.36 | 15 °C x 0,045 $ = 0,68 $ | $1.00 | $0.30 | $8.75 |
Tableau récapitulatif des coûts 2025 (IMARC + Schrama uniquement)
Processus / Agent | Réactif | Perte de fer | Temp | Usure/N 2 | Environnement | Total ($/tHM) |
KR-Lime | $2.04 | $10.50 | $1.35 | $1.25 | $0.25 | $15.39 |
MMI-Mg | $1.59 | $3.36 | $0.00 | $0.55 | $0.15 | $5.65 |
Co-injection (Mg+Chaux) | $1.47 | $3.36 | $0.45 | $0.80 | $0.15 | $6.23 |
Mélange CaC 2 + Citron vert (Torpille) | $3.41 | $3.36 | $0.68 | $1.00 | $0.30 | $8.75 |
Économies CHMD (continues)
Schrama (2021), chapitre 8, p. 167 :
« La désulfuration continue réduit la consommation de réactifs de 10 à 15 %, les pertes de fer de 50 % et l’usure de 20 %. »
Processus | Coût du lot | Coût du CHMD | Économies |
CaC2 + Chaux (Torpille → CHMD) | $8.75 | $7.44 | −15% |
Co-injection de magnésium et de chaux | $6.23 | $5.30 | −15% |
Verdict final – IMARC + Schrama uniquement
Agent | Classement des coûts | Total ($/tHM) | Idéal pour |
MMI-Mg | 1er | $5.65 | Vitesse ultra-faible |
Co-injection (Mg+Chaux) | 2ème | $6.23 | Rapport coût/performance équilibré |
CaC2 + Chaux (CHMD) | 3ème | $7.44 | Élimination du P, Hisarna, chaleur, flux continu |
CaC2 + Chaux (Torpille) | 4ème | $8.75 | Torpille à chaud à haute pression en série |
KR-Lime | 5ème | $15.39 | Uniquement en l'absence de lance d'injection |
Le procédé de co-injection utilisant CaC2 + Chaux (CHMD), avec un coût initial de 380 $/MT, offre un prix compétitif par rapport au magnésium.
Conclusion : Décision pour un choix optimisé en termes de coûts
Après une analyse approfondie des trois réactifs, nous concluons que le carbure de calcium et le magnésium sont les plus économiques. Toutefois, le coût total de l'agent MMI-magnésium est estimé à 5,65 $ par tonne d'acier. Son coût initial plus faible fait du carbure de calcium un excellent choix, d'autant plus qu'il ne coûte que 1,8 à 3 $ de plus par tonne de métal lourd que le procédé MMI-Mg.
L'utilisation du magnésium présente des défis, notamment son bas point d'ébullition (1090 °C), susceptible d'entraîner une vaporisation et un dégagement de fumées, sources de risques pour la sécurité. En comparaison, l'utilisation du carbure de calcium offre l'avantage supplémentaire de renforcer l'acier et d'éviter sa fragilisation. Le carbure de calcium est un matériau dense, plus sûr et plus facile à contrôler. De plus, il produit moins de scories que le magnésium pur utilisé comme réactif.
L'utilisation du carbure de calcium ( CaC₂ ) est idéale pour les industriels. Elle présente des risques moindres et un faible coût initial. La distillation méthane à chaud en continu (CHMD) avec des réacteurs en série est la solution d'avenir. Elle devrait permettre de réduire les coûts d'exploitation globaux de 10 à 15 % par rapport aux procédés discontinus, grâce à une consommation de réactifs réduite et à des pertes de fer minimisées (< 1 %).
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Usine : Zone du projet Laoshidan du parc industriel de Hainan, district de Hainan, ville de Wuhai, Mongolie intérieure, Chine