FER ET SIDERURGIE

« l'histoire de l'humanité est marquée par certaines découvertes majeures mais, surtout par notre capacité à exploiter, à maitriser et à transformer les éléments et les matériaux qui nous entourent la fabrication et l'utilisation d'outils ont contribué au développement de ces sociétés et l'age de la pierre traduit ce premier pas évolutif.

le changement déterminant viendra ensuite de la découverte des métaux.

Ces matériaux vont offrir à l'homme des possibilités techniques phénoménales.

Pour ces métaux initialement utilisés à l'état brut les hommes vont développer des procédés de transformation des métaux et étendre ainsi leurs applications.

t:age des métaux débute vers 4500 av.

J.-C.

et est divisé en trois périodes successives : l'age du cuivre, l'age du bronze et enfin , l'age du fer.

la maîtrise de la métallurgie du fer va bouleverser nos activités, notamment dans les domaines agricole, militaire, économique et donc politique.

C'est une des composantes essentielles à la mutation des civilisations agricoles vers les sociétés industrielles actuelles, et donc à l'avè nement de la révolution industrielle.

• la sidérurgie intermédiaire qui permet d'affiner la fonte, • l'Industrie manufacturière qui élabore les produits finis .

le fer, matériau de base de la sidérurgie est trés rare à l'état natif (fer pur) .

Il est plus généralement associé à d'autres éléments sous forme de minerai : mélange de roche et de composés de fer.

la fonte et l'acier n'existent pas à l'état naturel et sont des produits de transformation du minerai de fer.

Ce sont des alliages métalliques riches en fer et différenciés par leur teneur en carbone .

la fonte contient de 2,06 à 6,67 % de carbone et l'acier a une teneur en carbone comprise entre 0,03 et 2,06 % .

En dessous de 0,03 %de carbone , on parle de fer métallique ou industriel.

L'iliMENT FU n SES CAaAtnllmQUES le fer est un élément chimique de symbole Fe et de numéro atomique 26.

Sa température de fusion est de 1 536 •c.

Il est particulièrement sensible à l'eau et à l'oxygène et forme lorsqu'il est oxydé un hydroxyde de fer (Fe20Jl, communément appelé « I'IHIIIIe ».

1-------------1 A l'état naturel et en particulier dans la sidérurgie définit l'industrie élaborant des produits (fer, fonte et acier) à partir de métaux ferreux.

D'un point de vue étymologique, le mot • sidérurgie • est lié à l'utilisation du fer météoritique : du grec sideras signifiant« astre • et ergon signifiant • travail ».

la sidérurgie se caractérise par la mise en place d'une série d'activités : •l'extraction et la préparation des minerais ferrilères, •l'élaboration d'un métal primaire (fer, fonte ou minerai pré-réduit), •l'élaboration de l'acier liquide O'aciérie), • la solidification de l'acier liquide Oa coulée), • la mise en forme de l'acier à l'état solide (les laminoirs), Cette industrie est alors dissociée en trois secteurs : • la sidérurgie lourde qui s'occupe de la transformation (ou réduction) du minerai de fer, l'écorce terrestre, il est présent dans des minerais, constitué de composés de fer (des oxydes , des sulfures , des carbonates ou des silicates) et d'autres éléments minéraux (la gangue).

ln MINEIAIS DE FEl Dans la sidérurgie, on parle de minerai de fer lorsqu'il est exploitable, c'est-à-dire lorsque la quantité de minéraux de fer est largement supérieure à celle de la gangue, contenant des éléments « indésirables •.

Plusieurs catégories de minerais sont distinguées selon le composé associé au fer.

Les oxydes de fer les oxydes de fer sont les minerais les plus employés dans la sidérurgie .

• la magnétite (Fe304) est le composé le plus riche et contient environ 72 % de fer et 28% d'oxygène.

Comme son nom l'indique, elle possède de fortes propriétés magnétiques.

• l'hématite (Fe203) est formée d'environ 70% de fer et de 30% d'oxygène.

C'est la forme de minerai la plus répandue et donc la plus utilisée dans l'industrie .

• la limonite (HFeO,) compte 62% de fer, 27 % d'oxygène et 10% d'eau.

C'est également une source importante de minerai .

•l'ilm énite (FeTi0 3 ) est plutôt exploitée pour le titane qu'elle contient (31 %de titane et 37 % de fer seulement) .

les carbonates sont principalement représentés par la sidérite (FeC0 3) qui contient 48 % de fer.

les sulfures ne sont pas directement employés dans la sidérurgie car le souffre fragilise les alliages ferreux .

Et enfin, les silicates sont surtout utilisés comme source de minerais oxydés.

LA I'RUAIAnON DES MINEIAIS DE FEl les •lftrtlls th kr extraits des gisements ne sont pas immédiatement exploitables par l'industrie sidérurgique .

Ils nécessitent un traitement préalable permettant notamment de séparer les composés de fer de la gangue.

Ce processus comprend trois étapes.

• Un broyage mécanique qui permet creuset d'une ou de plusieurs tuyères pour assurer la ventilation du foyer (apport d'oxygène) et d'un trou de coulée selon les cas.

le combustible utilisé est du charbon de bois.

Une fois le four en marche , le minerai de fer et le charbon sont introduits par couches successives .

Dans cette structure, la température de fusion du fer (1 536 •q n'est pas atteinte : on ne passe donc pas par une phase liquide et la réduction se fait à l'état solide.

les produits obtenus sont d'un cOté, une « éponge de fer • (également appelée« massiot • ou •loupe •) constituée principalement de fer métallique et de l'autre , une scorie renfermant les résidus de la réaction et une partie du minerai non réduit Cette scorie s'accumule au fond du bas-fourneau ou s'écoule à travers le trou de coulée .

la loupe de fer récupérée est ensuite affinée pour éliminer les impuretés .

la première opération est purement mécanique : c'est le martelage à chaud .

Enfin, le corroyage permet de mettre en forme et de préparer le fer métallique pour son exploitation et sa transformation.

A noter que la technique du bas- fourneau est encore utilisée de nos jours mais , cette fois, avec du gaz naturel comme combustible.

LA UDUCTlON INDIUm la réduction indirecte est comme son nom l'indique, un procédé en deux étapes.

Dans un premier temps , le minerai de fer est transformé en fonte.

C'est cette dernière qui est ensuite affinée pour obtenir du fer métallique (ou de l'acier) .

Ces réactions s'accomplissent dans les ,.llfs.frHrrrHu.

Dans ce cas, les températures obtenues sont bien plus élevées (1 800 •q et l'opération se fait alors en phase liquide (fusion) .

!:avantage des hauts- fourneaux est leur capacité à produire de la fonte en continu, alors que, pour les bas-fourneaux, la fabrication doit être interrompue pour prélever le métal.

le haut -fourneau est un four à cuve verticale qui comprend : • un gueulard dans la partie supérieure, par lequel les charges sont introduites et les gaz de réaction s'échappent • une cuve formant un cône évasé vers le bas, • un ventre , cylindrique , • l'étalage formant un cône évasé vers le haut • un creuset cylindrique et comprenant une tuyère à vent un trou de coulée du laitier et un trou de coulée de la fonte .

de libérer les particules de fer.

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-------------l • Une séparation qui dissocie les minéraux utiles de la gangue .

Ce processus aboutit à la formation d'un concentré jusqu'à 10 à 50 lois plus pur que le minerai d 'origine.

• Un conditionnement : le produit obtenu (trop fin) ne peut pas être directement exploité dans les fours .

Il est donc conditionné sous forme d 'agglomérats .

LA TRANSFORMATION OES MINERAIS DE FER la fabrication du fer métallique à partir de son minerai se fait par combustion, c'est-à-dire par réduction de l'oxyde de fer et oxydation du carbone (le carbone et le monoxyde de carbone pouvant être plus réducteurs que le fer, en fonction de la température) .

Historiquement deux procédés se sont succédé : la fabrication directe et la fabrication indirecte en passant par la fonte.

LA amucnoN DltErn la réduction directe du minerai de fer s'effectue dans un bas-fourneau ou un bas-foyer .

C'est un four constitué d'une cheminée , d'un charge dessication réduction des oxydes de fer liquéfaction coulée Le haut fourneau gueulard cuve ventre étalage creuset Premières réductions du minerai de fer.

1100 av.

1.-C.

Début de l'âge du fer.

Découverte de la fonte.

VIt' siècle Les Grecs fabriquent de l'oaerpor cémentation .

Xlii' siècle Développement des premiers hauts -fourneaux.

Début de l'âge de la fonte .

1709 Invention du coke .

XVIII' siècle Début de l'âge de l'oder.

1856 L'Anglais Bessemer invente le convertisseur fonte-ader.

1868 Apparition des premiers oder.; spéciaux.

1900 Naissance du premier four à ore électrique .. »