ELABORATION DES METAUX

Elaboration de la fonte

Introduction

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La Sidérurgie est le secteur industriel concerné par la métallurgie d'élaboration des alliages ferreux et par leur mise en forme visant à fournir des produits demi finis aux diverses branches industrielles utilisatrices. Bien qu'apparue au XIXeme siècle la technologie sidérurgique est en perpétuelle évolution et intègre constamment les possibilités et les exigences conjoncturelles: économies d'énergie, gain de productivité, automatisation et informatisation des procédés

1. LES MATIÈRES PREMIÈRES

1-1. Les minerais de fer.

Le fer s'y trouve essentiellement combiné sous forme d'oxydes: oxyde ferrique Fe203 ou oxyde magnétique Fe304 (magnétite). Le fer en sera donc extrait par réduction. L'abondance de la gangue détermine la richesse du minerai: 30 % de fer pour les minerais à faible teneur, 60 % de fer pour les minerais riches. La gangue est formée de silico-aluminates de calcium et de magnésium et de phosphate de calcium. La composition de la gangue varie selon la provenance du minerai. Les ressources en minerai de fer sont pratiquement illimitées [5 % de Fe dans l'écorce terrestre].

1-2. Les ferrailles.

Elles proviennent des récupérations des industries de transformation, de l'industrie sidérurgique et de la collecte des biens d'équipement et de consommation hors d'usage. Contrairement au minerai leur disponibilité est directement liée à l'activité industrielle.

1-3. Le coke métallurgique.

Le carbone est introduit dans les charges sous forme de coke métallurgique qui doit avoir une porosité et une résistance à l'écrasement suffisantes. Il est partiellement remplacé par des injections de fuel ou de gaz naturel et même par des injections de carbone pulvérulent (Japon).

1-4. Fondants.

Ils permettent d'éliminer la gangue sous forme de laitier fusible. Ils sont calcaires si la gangue est siliceuse ou alumineuse et inversement. Certains mélanges de minerai sont auto fondants et ne nécessitent pas d'addition.

1-5. Oxygène.

Le développement actuel des procédés d'élaboration de l'acier à l'oxygène nécessite une production massive de ce gaz dans des centrales à oxygène par rectification d'air liquide. L'oxygène est produit à une pression de 40 bars et alimente l'aciérie sous 15 bars.

2- GÉNÉRALITÉS SUR LE HAUT FOURNEAU

Le haut fourneau est un réacteur à lit consommable à contre-courant. Les réactions principales qui s'y déroulent sont:

. Les réactions de réduction des oxydes.

. Les réactions d'échange entre le métal et le laitier.

Le tableau ci-dessous résume les opérations essentielles.

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Haut fourneau

• Ces ingrédients sont introduits dans un haut fourneau par le gueulard, pour récupérer la fonte et le laitier en bas.

Processus d’élaboration�Réactions chimiques

• Durant leur passage dans le haut four les ingrédients subissent les réactions chimiques suivantes:
• Production de l’agent réducteur:

C + ½O2 🡪 CO

C + 2O 🡪 CO2 (1)

C + CO2 🡪 2CO (2)

(Ces réactions nous donnent en résultat du CO)

Processus d’élaboration�Réactions chimiques

• Réactions de réduction des minerais:

Fe2O3 🡪 Fe3O4 🡪 FeO 🡪 Fe

(1) 3Fe2O3 + CO 🡪 2Fe3O4 + CO2 (à T>320°C)

(2) Fe3O4 + CO 🡪 3FeO + CO2 (à 620°<T<950°)

(3) FeO + CO 🡪 Fe + CO2 (à T>950°C)

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Processus d’élaboration�Résultat final

Après toutes ces réactions on obtient de la fonte, il en existe deux types:

• La fonte blanche: aspect blanc brillant, très résistante à l’usure et très difficilement usinable. (principalement utilisée pour les pièces d’aspect et les fonderies d’art).
• La fonte grise: obtenue par un refroidissement très lent de la fonte, ou l’ajout de composants graphitisants comme le scilicium. Elle est utilisée majoritairement en industrie et il en existe plusieurs types: fonte GL, fonte GS, fonte d’aluminium, de zinc…
• Laitier

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Composition de la fonte.

• La fonte (métallurgie), alliage de fer et de carbone dont la quantité de carbone varie de 2 à 5% en poids. La fonte est préparée dans les hauts-fourneaux sidérurgiques à partir de minerai de fer, de coke et de fondant (calcaire). Sous l’action de leur propre poids, ils descendent peu à peu en se réchauffant jusqu’à la fusion. Le métal fondu composé de la fonte et du laitier s’écoule dans le creuset. Par suite d’une différence sensible entre les masses spécifiques de la fonte et du laitier; ce dernier s’accumule à la surface de la fonte, il est évacué à travers le trou de coulée du laitier situé plus haut que celui de la fonte.

• Plus de 80% de la production totale est composée de la fonte blanche d’affinage, essentiellement employée pour la fabrication de l’acier (le fer est à l’état de Cémentite Fe₃C).
• Les alliages ferro-métalliques et la fonte de moulage constituent près de 20%.

Rôles du laitier.

Formé à partir des constituants de la gangue, du fondant et des cendres du coke, le laitier est un silicate complexe d'aluminium, de calcium et de magnésium, il contient en outre des oxydes de manganèse et de fer en faible quantité ainsi que du sulfure de calcium. Le altier a un rôle double:

- permettre l'élimination de la gangue à l'aide des caractéristiques de fusibilité et fluidité convenables;

- permettre des réactions d'échange avec le métal liquide agissant sur la composition de celui-ci.

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Exemple: Désulfuration de la fonte au H.F.

Le soufre est introduit essentiellement par le coke, il arrive en presque totalité aux étalages où il forme FeS très soluble dans le métal. Il faut éliminer le plus possible le soufre de la fonte en le faisant passer dans le laitier.

Les différents types de fontes

• Les fontes grises présentent un aspect gris à la cassure en raison de la présence du carbone principalement sous forme de graphite. Leur fabrication nécessite des minerais à forte teneur en silicium (1,5 à 3%) et une proportion de coke élevée. Elles ont une température de fusion inférieure à celle de l’acier (1 200 °C pour les fontes grises contre 1 370 °C pour l’acier), ce qui permet de les mouler facilement. Très peu malléables et ductiles, elles peuvent cependant être usinées.

Les fontes grises

• La fonte de moulage grise est employée pour l’obtention des coulées façonnées. Elle trouve essentiellement son emploi dans la construction, spécialement pour la fabrication des pièces travaillant à la compression ( poteaux); ainsi que pour les produits sanitaires (tubes, radiateurs de chauffage).

Les fontes grises

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3. Les fontes hématites et phosphoreuses

Les différents types de fontes

Les fontes hématites et phosphoreuses

• On trouve aussi à la sortie des hauts-fourneaux les fontes hématites, dont la teneur en soufre et en phosphore est très faible. Elles sont fabriquées à partir de minerai très pur : l’hématite.
• Les fontes phosphoreuses, comme les fontes Cleveland contenant de 1,4 à 2% de phosphore ou les fontes Thomas (1,6 à 2% de phosphore), sont, au contraire, obtenues à partir de minerais phosphoreux. Elles sont utilisées pour la fabrication de l’acier.

ELABORATION DES METAUX

ÉLABORATION DE L'ACIER

1. PRINCIPES GÉNÉRAUX

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L'élaboration de l'acier se fait:

- soit à partir de la fonte liquide (fonte d'affinage): convertisseurs à l'oxygène

• soit à partir de ferrailles par refusion au four électrique.

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Afin de constituer un stock tampon entre les H.F. et l'aciérie dont les cadences de coulée sont très différentes on peut utiliser soit un mélangeur, soit un nombre suffisant de poches-tonneaux (ex. : SOLMER). Le mélangeur homogénéise la composition de la fonte provenant des diverses coulées et conduit à une certaine désulfuration de la fonte.

Cette désulfuration se fait par déplacement de l'équilibre:

[FeS] + [Mn]🡪 [Fe] + (MnS).

La désulfuration peut être améliorée par les techniques de la métallurgie en poche: introduction de carbonate de sodium, de chaux vive (CaO) avec brassage, ou plus récemment de magnésium (procédé USIRMAG).

Le passage de la fonte liquide à l'acier nécessite une diminution des teneurs de pratiquement tous les éléments comme le montre la comparaison ci-dessous:

2. ACIER A L'OXYGÈNE

Ce procédé, actuellement le plus répandu, est basé sur l'insufflation d'oxygène pur dans un bain de fonte liquide. On peut ainsi transformer celle-ci en acier liquide, en assurant simultanément l'élimination de C, Si, Mn, P et S et l'élévation de température nécessaire pour passer de la fonte liquide (1250 °C en moyenne) à l'acier liquide (1600 °C en moyenne).Le réglage de la température finale se fait par introduction de ferrailles à refondre.

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3. ACIER ÉLECTRIQUE

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La filière de la refusion des ferrailles utilise un four à sole réfractaire sur laquelle sont placées les matières à refondre.

L'énergie thermique est fournie par production d'arcs électriques entre trois électrodes et la charge. Naguère réservé à l'élaboration d'aciers spéciaux, le procédé électrique assure actuellement une part importante du tonnage des aciers courants. Il a, dans ce domaine, définitivement remplacé l'élaboration sur sole au four Martin.

Le procédé électrique basique est le plus répandu, il est caractérisé par:

. Une haute température du bain (+ 1 800°C) facilement réglable, ce qui facilite la fusion des laitiers très réfractaires et la réduction des oxydes.

. La non-intervention de l'atmosphère du four qui est neutre. Les réactions ont uniquement lieu entre le bain et les additions à l'aide desquelles on peut réaliser un milieu oxydant ou réducteur. On peut en outre réaliser la fusion d'éléments oxydables comme le Cr sans perte par formation d'oxydes.

COULÉE DE L'ACIER

La coulée de l'acier liquide, si on excepte les aciers moulés, s'opère selon deux techniques différentes.

. Coulée en lingotières qui reste prépondérante dans les pays de technologie sidérurgique peu développée

. Coulée continue qui est devenue prépondérante dans les pays de technologie sidérurgique développée (Japon, Allemagne, Italie). La France est en position moyenne après ces derniers.