Description du sujet de thèse

Le principal obstacle à une production sidérurgique plus durable est sans aucun doute la décarbonation de ses chaînes de transformation. Actuellement, la production d’une tonne d’acier est liée à l’émission stupéfiante de 2,1 tonnes de CO2, un fait qui rend la sidérurgie responsable de 8 % des émissions totales de CO2 de la planète. En effet, nous avons extrait le fer de ses minerais par des
réactions chimiques qui utilisent des substances porteuses de C, le CO2 étant le sous-produit [1]. Parallèlement à ce défi, la rareté des minerais de fer à haute teneur pouvant être exploités comme matière première est une réalité proche. Cela crée un dilemme absolu qui obligera les sidérurgistes à produire de l’acier vert à partir de minerais de fer de faible qualité [2].
La réduction par plasma d’hydrogène des minerais de fer (RPH) apparaît comme une voie attractive pour produire du fer à faibles émissions de CO2. Dans cette voie, le minerai est exposé à un plasma réducteur contenant une faible teneur en hydrogène (10 % H2), dans un four à arc électrique (FAE), pour être simultanément fondu et réduit [1,3]. Lors de l’utilisation d’espèces de plasma
d’hydrogène (H, H+) comme agent réducteur pour les minerais de fer, le sous-produit est de l’eau au lieu du CO2 (FeO + 2 H → Fe + H2O) [4].
Ce travail de doctorat vise à étudier les principes fondamentaux du RPH pour transformer les minerais de fer à faible teneur en fer durable et propre. Le projet ciblera les minerais de fer à faible teneur contenant moins de moins de 59 % de Fe et contenant des quantités substantiellement importantes (~15 %) d'oxydes liés à la gangue (c'est-à-dire des constituants moins précieux que les oxydes de fer : Al2O3, SiO2, P2O5 etc.). Les minerais partiellement et totalement réduits seront caractérisés chimiquement et microstructuralement. Les résultats révéleront des détails importants sur les mécanismes réactionnels et l’efficacité du procédé en termes de consommation d’hydrogène et de formation de fer. La composition des scories (autoformées par les oxydes de gangue) sera également parfaitement caractérisée et sera destinée à l'industrie cimentière. Les aspects hydrodynamiques résultant de l'interaction plasma/liquide et de la répartition de la température seront surveillés à l'aide de caméras infrarouges et rapides. Le plasma d'hydrogène sera caractérisé par spectroscopie d'émission optique.
[1] Souza Filho, I.R. et al. Acta Materialia 213, 116971 (2021)
[2] Jovicevic-Klug, M., Souza Filho, I.R., et al. Nature 625, 703–709 (2024)
[3] Souza Filho, I.R. et al. Journal of Cleaner Production, 340, 130805 (2022)
[4] Souza Filho, I.R. et al. JOM, 1-13 (2023).
[5] H. Pauna et al., 6th European Steel Technology and Applications Days (2023)

Contexte de travail

L’Institut Jean Lamour (IJL) est une unité mixte de recherche du CNRS et de l’Université de Lorraine. Il est rattaché à l’Institut de Chimie du CNRS. Spécialisé en science et ingénierie des matériaux et des procédés, il couvre les champs suivants : matériaux, métallurgie, plasmas, surfaces, nanomatériaux, électronique.
L'IJL compte 263 permanents (30 chercheurs, 134 enseignants-chercheurs, 99 IT-BIATSS) et 394 non-permanents (182 doctorants, 62 post-doctorants / chercheurs contractuels et plus de 150 stagiaires), de 45 nationalités différentes. Il collabore avec plus de 150 partenaires industriels et ses collaborations académiques se déploient dans une trentaine de pays. Son parc instrumental exceptionnel est réparti sur 4 sites dont le principal est situé sur le campus ARTEM à Nancy.
Ce travail de doctorat s'inscrit dans le cadre du projet de 5 ans intitulé « Steel through Sustainable Hydrogen Plasma Reduction of Iron Ores » dont l'acronyme en anglais est THUNDER. Il s'agit d'un projet entièrement financé par le CNRS (200 k€ pour 5 ans) et appartenant à la Chaire CNRS de métallurgie
durable récemment lancée à l'IJL. Prof.-Jr. Isnaldi R. Souza Filho est le contact principal et responsable du projet. La langue de travail sera principalement l'anglais et le français

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Contraintes et risques

Le projet THUNDER a été mené selon toutes les normes de sécurité IJL afin de préserver l'intégrité de tous les employés, y compris les étudiants, techniciens et scientifiques, ainsi que des installations et infrastructures de laboratoire. Les concentrations d'hydrogène à utiliser dans les expériences sont inférieures à tout risque d'inflammabilité. La manipulation du réacteur plasma est une procédure sûre, car il contient toutes les mesures de sécurité contre la surpression et dispose d'une isolation électrique adéquate. Le réacteur est personnalisé à cet effet et est également produit par une entreprise spécialisée possédant une vaste expérience sur le marché.

Informations complémentaires

Nous recherchons des candidats possédant de solides connaissances en métallurgie physique et/ou extractive, en science et ingénierie des matériaux, une bonne expérience des pratiques de métallographie et des calculs thermodynamiques. Une bonne maîtrise de l’anglais parlé et écrit est requise. La sélection des candidatures s'effectuera dans le respect des principes de transparence et d'égalité de traitement des candidats après analyse des candidatures reçues. Nous sommes très engagés en faveur de l’égalité des
sexes et de la diversité et encourageons et accueillons les candidatures de tous horizons.