Qu’est-ce qui fait obstacle à un acier durable ?

La production d’acier est aujourd’hui la source surprenante de 8 % de tous les gaz à effet de serre. La majeure partie provient de la conversion du minerai de fer en fer fondu. Habituellement, cela signifie avec du charbon. En revanche, l’hydrogène combustible propre, qui ne produit que de l’eau pure comme sous-produit, représente une alternative bien plus durable et aurait probablement été adopté il y a longtemps sans les défis techniques qui continuent de favoriser le charbon.

Les ingénieurs souhaitent changer ce calcul. Récemment, Leora Dresselhaus-Marais de Stanford et une équipe multi-institutionnelle de collègues ont révélé que ce sont les plus petites particules nanométriques présentes dans le minerai de fer qui sont à l’origine de ces défis techniques. Selon eux, cette découverte pourrait ouvrir la voie à des réacteurs « en acier vert » d’une nouvelle ère à base d’hydrogène.

“La production d’acier à base d’hydrogène devient moins efficace avec le temps, contrairement aux centrales au charbon, mais personne ne comprend exactement pourquoi”, déclare Dresselhaus-Marais, professeur adjoint de science et d’ingénierie des matériaux, à propos de l’étude publiée. dans Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS). “Notre objectif ici était d’établir les principes scientifiques régissant les performances des réacteurs afin d’améliorer les réacteurs existants ou, potentiellement, d’envisager de nouveaux réacteurs plus propres de demain.”

La grâce du rasage

Le processus de moustaches est bien connu, mais mal compris pour une multitude de raisons. Dans les réacteurs, sous la chaleur élevée de la réaction de l’hydrogène, explique Dresselhaus-Marais, les nanoparticules toujours présentes dans les minerais s’auto-assemblent pour former des structures allongées en forme de moustaches qui obstruent les réacteurs et réduisent leur efficacité au fil du temps. Finalement, cela conduit à une panne de réacteur qui a relégué la production d’acier à base d’hydrogène au second plan.

Dresselhaus-Marais et son équipe ont résolu de résoudre le problème. Ils ont illustré le rôle essentiel que jouent les nanoparticules dans la moustache. Ces minuscules copeaux, ou « fines », comme on les appelle, sont répandus dans la poussière de minerai de fer et sont produits pendant le traitement et le transport du minerai lorsque des boulettes de minerai de fer de plus grande taille se frottent les unes contre les autres. Les particules fines peuvent être environ cent à cent mille fois plus petites que les granulés moyens.

La fabrication du fer est un processus en plusieurs étapes dans lequel le minerai de fer (hématite, Fe₂Ô₃) est d’abord oxydé en magnétite (Fe₃Ô₄) puis à un matériau intermédiaire appelé wüstite (Fe_{1 fois}O) avant de pouvoir être raffiné en fer pur (Fe) adapté à la fabrication de l’acier.

L’équipe révèle que l’étape la plus difficile est la transition de la wüstite au fer pur. Les chercheurs ont exploré et décrit avec précision pour la première fois comment exactement la wüstite se transforme en fer à l’aide de méthodes avancées de microscopie électronique et de diffusion des rayons X.

Rationaliser le processus

Des études antérieures sur la moustache ont porté uniquement sur les pastilles à l’échelle millimétrique, négligeant le rôle que jouent les fines dans le processus de moustache. Mais ce sont précisément ces particules plus petites qui comptent le plus. À des températures spécifiques, ils se collent les uns aux autres, créant des moustaches qui obstruent les réacteurs et provoquent des pannes.

“Il s’avère que l’acier est l’une des plus grandes industries de nanoparticules existantes”, explique Dresselhaus-Marais. “Nous espérons que l’industrie pourra désormais exploiter les opportunités de la nanochimie pour mieux contrôler le processus de réduction de l’hydrogène et éviter, voire éliminer, les moustaches.”

Ces découvertes ont des implications importantes pour l’avenir de l’acier vert. Plus précisément, Dresselhaus-Marais a montré que la voie de réaction est fondamentalement différente pour les nanoparticules et pour les macroparticules, et que des moustaches peuvent se produire uniquement parmi des groupes de nanoparticules, même lorsqu’elles n’ont pas de macroparticules sur lesquelles s’accrocher.

“Nous suggérons qu’il serait préférable de sauter la phase wüstite et de passer directement de la magnétite au fer pur, mais c’est plus facile à dire qu’à faire”, dit-elle. “Néanmoins, ces nouvelles connaissances pourraient ouvrir l’industrie sidérurgique à des matières premières non conventionnelles mais prometteuses, voire même en contournant complètement la pelletisation, afin de concevoir et d’optimiser de nouveaux procédés d’acier vert pour l’avenir.”