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THESE : Comportement de matériaux réfractaires sous atmosphères hydrogénées pour le procédé de Réduction Directe du minerai de fer : Modélisation et étude expérimentale des phénomènes de corrosion des réfractaires associées aux conditions d’application

CONTEXTE :

L’IRT M2P est un centre de recherches mutualisées créé en juin 2013, associant des industriels et des
établissements de recherches et d’enseignements supérieurs qui est positionné sur les technologies
avancées d’élaborations, transformations et caractérisations des matériaux.

Le sujet de thèse proposé s’inscrit dans le cadre d’un projet collaboratif entre une dizaine de
partenaires. Ce projet a pour objectif de développer et monter une plateforme d’essai pour caractériser
la durabilité des matériaux sollicités en conditions extrêmes à haute température. Il est également prévu
d’étudier les mécanismes et les cinétiques de corrosion à haute température et établir une base de
données pour mieux prédire la durée de vie des matériaux. Le sujet de thèse proposé par Saint Gobain,
et le Laboratoire Georges Friedel (Ecole des mines de Saint Etienne) vise à étudier l’effet des conditions
opératoires d’un réacteur de réduction directe du minerai de fer (DRI) sur la corrosion de différents
matériaux réfractaires et d’établir un modèle prévisionnel de corrosion à haute température à partir
des données traitées.

Situé à Cavaillon dans le Vaucluse, Saint-Gobain Research Provence inscrit son activité dans le cadre du
groupe Saint-Gobain. Il est certifié ISO 9001 et 14001, et abrite une Unité Mixte de Recherche
CNRS/Saint-Gobain (UMR3080). Grâce à son expertise, Saint-Gobain Research Provence mène de
nombreux projets de recherche sur les matériaux minéraux, céramiques et réfractaires : formulation,
synthèse et conditionnement des matériaux, caractérisation des produits et de leurs comportements en
service, mise au point des procédés de fabrication. Les produits, sous la forme de poudre, grains et
composants usinés, sont destinés à des applications de haute technologie. Ils sont notamment utilisés
dans des domaines tels que production, économies d’énergie ou protection de l’environnement pour les
grands secteurs industriels et l’habitat durable.

Le Laboratoire Georges Friedel (LGF) est un acteur de recherche académique, en partenariat fort avec
l’Industrie qui se positionne comme un des acteurs majeurs pour répondre aux problématiques : Durabilité
et efficacité énergétique des composants et de l’usine. Du grain à l’usine / Du matériau au composant. Le
LG est structuré en 6 plateaux d’instruments et 6 plateformes technologiques et numériques, en support
aux activités de recherches, s’appuyant en termes de moyens humains sur 4 équipes de recherches.

DESCRIPTION DU SUJET :

Actuellement, plus de 80% de l’acier est produit à partir par réduction du minerai de fer dans les hauts
fourneaux dans une atmosphère réductrice riche en CO. Ce processus conduit à l’émission d’environ 2
tonnes de CO2 pour 1 tonne d’acier produite (en Europe). Avec une production croissante de l’ordre de
1,8 milliard de tonnes/an, le secteur de la sidérurgie est responsable d’environ 8% des émissions de gaz
à effet de serre dans le monde et devient un sujet clé pour réduire notre empreinte environnementale. Une
technologie alternative très prometteuse est la Réduction Directe du minerai de fer.
Cette technologie permet d’abattre drastiquement les émissions de gaz à effet de serre en assurant la
réduction par une atmosphère hydrogénée syngas (CO/H2) ou sous hydrogène pur. Ainsi, le coproduit
CO2 généré est remplacé par de la vapeur d’eau. Si la technologies DRI est couplée à de l’hydrogène
vert, ce procédé pourrait réduire de façon conséquente l’empreinte environnementale liés à la fabrication
de l’acier.

Pour résister aux températures nécessaires à la réaction de réduction (800-1100°C), les parois de
l’enceinte DRI sont recouvertes d’un revêtement réfractaire. Ce revêtement doit permettre de résister à
des sollicitations chimiques liées à l’atmosphère (H2, CO, H2O, etc.), thermiques, mécaniques (abrasion)
et thermomécaniques (chocs thermiques). Compte tenu de la composition du minerai de fer introduit sous
forme de pellets, l’atmosphère est chargée en composés solides ou gazeux (à base de phosphore, soufre,
alcalins, etc.) dont la condensation peut provoquer la corrosion du revêtement réfractaire. Une sélection
adaptée de matériaux réfractaires est nécessaire pour assurer une longue durée de vie de l’installation
vis-à-vis de ces conditions d’exposition.

MISSIONS PRINCIPALES :

• Etablir un état de l’art des conditions d’application dans un réacteur DRI et l’impact sur la corrosion
à haute température des réfractaires
• Adapter un modèle macroscopique du réacteur comprenant les conditions clés identifiées
(températures, flux de gaz, pressions, etc.)
• Rédiger un protocole expérimental et un plan d’expérience pour étudier l’effet corrosif
d’atmosphères hydrogénés sur les matériaux réfractaires
• Exploiter la base de données des paramètres de conditions opératoires
• Caractériser les échantillons testés (analyses MO/MEB/DRX, microsonde, etc.)
• Comprendre et quantifier les phénomènes de corrosion
• Etablir un modèle analytique prédictif des niveaux de corrosion sous ces atmosphères complexes
pour évaluer la durée de vie des matériaux (vieillissement)
• Identifier les paramètres clés influant sur la corrosion des réfractaires (H2, H2O, impuretés,
température, etc.)
• Réaliser des essais de validation du modèle (essai de corrosion à haute température)
• Rédiger et présenter les travaux

PROFIL ATTENDU : 

Ingénieur(e) de formation avec une spécialité chimie ou matériaux avec un intérêt
fort pour la modélisation et les essais expérimentaux, vous souhaitez compléter votre formation à travers
un projet de recherche avec une forte composante industrielle et des enjeux environnementaux. En plus
de compétences techniques et scientifiques en relation avec le sujet, vous faites preuve d'organisation et
êtes capable de piloter un projet de recherche. Il vous sera demandé de restituer vos travaux en anglais
(oral et écrit) avec un sens synthétique et pédagogique

Une bonne connaissance en corrosion à haute température des matériaux réfractaires et en dynamique
des fluides serait un plus.

LIEU :

Le/la doctorant/e sera employé/e par l’IRT-M2P, accueilli/e principalement au LGF (Saint Etienne),
et une partie des travaux se fera à Saint-Gobain Research Provence.