Chind Meta

CHIMIE INDUSTRIELLE

Quatrième partie

LA CHIMIE INDUSTRIELLE METALLURGIQUE

Notes rédigées par C. CHARLIER

- I -

Table des matières 1. Introduction............................................................................................................ 1

1.1. Etude des matériaux métalliques - Quelques définitions.......................... 2 1.2. Elaboration des métaux ........................................................................... 5

1.2.1. L'extraction des métaux.............................................................. 6 1.2.2. L'affinage des métaux................................................................. 9

1.3. Etapes du procédé complet de métallurgie .............................................. 9 1.3.1. Traitement du minerai et traitement du combustible................... 9 1.3.2. Elaboration dans le réacteur..................................................... 10 1.3.3. Séparation de la gangue........................................................... 10 1.3.4. Affinage de l'alliage................................................................... 11 1.3.5. Additions éventuelles................................................................ 11 1.3.6. Traitements divers.................................................................... 11

1.3.6.1. Mise en forme ............................................................. 11 1.3.6.2. Traitements thermiques .............................................. 11 1.3.6.3. Traitements de surface ............................................... 12

2. La Sidérurgie ....................................................................................................... 14 2.1. Introduction ............................................................................................ 14 2.2. Extraction du fer..................................................................................... 17

2.2.1. Matières premières du réacteur haut-fourneau......................... 18 2.2.1.1. Minerai de fer .............................................................. 18 2.2.1.2. Combustible................................................................ 19 2.2.1.3. Fondants..................................................................... 19 2.2.1.4. Oxygène ou air............................................................ 20 2.2.1.5. Remarque pour l'eau................................................... 21

2.2.2. Réacteur d'extraction du minerai .............................................. 22 2.2.2.1. Caractéristiques du haut-fourneau.............................. 22 2.2.2.2. Les réactions dans le haut-fourneau........................... 23

2.2.2.2.1. Réactions dans la zone de préchauffage .................................. 24 2.2.2.2.2. Réactions dans la zone d'égalisation ........................................ 25 2.2.2.2.3. Réactions dans la zone de BOUDOUARD................................ 25 2.2.2.2.4. Réactions dans la zone de fusion.............................................. 26 2.2.2.2.5. Réactions dans la zone métallurgique....................................... 26 2.2.2.2.6. Réactions dans la zone de combustion..................................... 27 2.2.2.2.7. Réactions dans la zone du creuset ........................................... 27

2.2.3. Analyse des produits obtenus................................................... 27 2.2.3.1. La fonte....................................................................... 27 2.2.3.2. Le laitier ...................................................................... 28 2.2.3.3. Les gaz ....................................................................... 28

2.2.4. Dimensions du haut-fourneau................................................... 29 2.3. Elaboration de l'acier.............................................................................. 30 2.4. Le procédé sidérurgique complet ........................................................... 33 2.5. Les aciers alliés ..................................................................................... 35

3. La Métallurgie des non ferreux ............................................................................ 36 3.1. Introduction ............................................................................................ 36

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3.2. Les principaux métaux non ferreux en revue ......................................... 36 3.2.1. Antimoine ................................................................................. 37 3.2.2. Argent....................................................................................... 37 3.2.3. Cadmium .................................................................................. 37 3.2.4. Calcium .................................................................................... 38 3.2.5. Chrome..................................................................................... 38 3.2.6. Cobalt ....................................................................................... 39 3.2.7. Etain ......................................................................................... 39 3.2.8. Germanium............................................................................... 40 3.2.9. Hafnium .................................................................................... 40 3.2.10. Lithium.................................................................................... 40 3.2.11. Magnésium............................................................................. 41 3.2.12. Manganèse............................................................................. 41 3.2.13. Mercure .................................................................................. 42 3.2.14. Nickel...................................................................................... 42 3.2.15. Or ........................................................................................... 43 3.2.16. Platine .................................................................................... 43 3.2.17. Potassium............................................................................... 43 3.2.18. Sodium ................................................................................... 44 3.2.19. Tungstène............................................................................... 44 3.2.20. Uranium.................................................................................. 44 3.2.21. Vanadium ............................................................................... 45 3.2.22. Zirconium................................................................................ 45 3.2.23. Données physiques des métaux courants.............................. 46

3.3. L'aluminium............................................................................................ 47 3.3.1. Généralités ............................................................................... 47 3.3.2. Elaboration ............................................................................... 48 3.3.3. Applications .............................................................................. 49

3.4. Le cuivre ................................................................................................ 50 3.4.1. Généralités ............................................................................... 50 3.4.2. Elaboration ............................................................................... 51

3.4.2.1. Métallurgie par voie sèche .......................................... 51 3.4.2.2. Métallurgie par voie humide ........................................ 52

3.4.3. Applications .............................................................................. 52 3.5. Le titane ................................................................................................. 53

3.5.1. Généralités ............................................................................... 53 3.5.2. Elaboration ............................................................................... 53 3.5.3. Applications .............................................................................. 54

3.6. Le zinc.................................................................................................... 55 3.6.1. Généralités ............................................................................... 55 3.6.2. Elaboration ............................................................................... 55 3.6.3. Applications .............................................................................. 56

3.7. Le plomb ................................................................................................ 56 3.7.1. Généralités ............................................................................... 56 3.7.2. Elaboration ............................................................................... 57 3.7.3. Applications .............................................................................. 57

4. Résumé sur l'industrie métallurgique................................................................... 58 5. Bibliographie........................................................................................................ 60 6. Questions relatives au chapitre ........................................................................... 61

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7. Thèmes du chapitre............................................................................................. 65 8. Index.................................................................................................................... 66

Chimie Industrielle Métallurgique

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L'INDUSTRIE METALLURGIQUE

"Giving up, it's the ultimate tragedy," R. J. Donovan

1. Introduction L'industrie métallurgique fait historiquement partie des plus anciennes industries car elle est basée sur la confection d'ustensiles efficaces dont l'homme a toujours eu un grand besoin (outils, armes, etc.). L'origine de la métallurgie du fer est située à 6000 ans avant ce sacré J.C. Le fer est un des plus importants éléments, c'est le plus abondant et il est reconnu pour des propriétés mécaniques, comme la résistance et la dureté, bien supérieures à celles d'autres métaux usités comme l'or, le cuivre, le zinc, le plomb, l'aluminium, etc. Pendant longtemps, la puissance d'un pays s'est mesurée à son industrie métallurgique, mais il faut reconnaître qu'actuellement, d'autres critères industriels interviennent, comme le prix de l'énergie, l'environnement, etc. Cependant, la métallurgie occupe encore et toujours une place importante dans l'économie puisqu'elle couvre environ 30% du marché de l'industrie chimique. Cette industrie utilise des matières premières accessibles et en grande quantité considérable. S'il n'est plus besoin de citer l'air et l'eau, les minerais contenant les métaux sont les matières premières essentielles de la métallurgie, sans oublier d'y inclure le minerai de charbon qui est utilisé comme combustible et très souvent comme réactif. Cela sous-entend qu'il peut intervenir aussi bien dans le produit final que comme agent chimique de réaction. Au point de vue de l'étude, il est généralement considéré que la métallurgie se scinde en deux grandes parties : - l'étude des matériaux, c'est-à-dire la connaissance de l'état métallique et des

diagrammes liquide-solide (L-S) car les procédés et les divers traitements sont


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basés sur la compréhension du comportement des métaux et surtout des mélanges de métaux. Cette étude constitue la base nécessaire et préalable à la partie suivante.

- L'élaboration des métaux et alliages, c'est-à-dire l'industrie et les procédés

métallurgiques eux-mêmes afin d'obtenir un alliage ou un métal[1] qui est conforme à des spécifications précises (économiques, mécaniques, etc.) en vue d'une utilisation déterminée.

La métallurgie est actuellement considérée comme un secteur de la chimie industrielle, car, comme en chimie minérale ou en chimie organique, elle implique des transformations de matières par des réactions chimiques, ainsi que des processus de mises en œuvre, de séparations et de purification. Cependant, les réactions chimiques des procédés de métallurgique chimique sont souvent très difficiles. Elles se déroulent généralement à haute température (supérieure à 1000 C et même plus), donc à l'aide de beaucoup d'énergie. Il en est ainsi parce que les procédés partent des minerais, qui sont des matériaux plutôt stables dans la nature. Pour obtenir les éléments métalliques à l'état natif, il faut donc fournir beaucoup de chaleur, puisque cela revient à inverser la formation des minerais (oxydes, sulfures, etc.) qui est exothermique et en quelque sorte spontanée. La métallurgie extractive ou l'extraction et l'enrichissement des minerais, etc., (voir avantageusement la littérature sur l'étude des matériaux) et la métallurgie de transformation ou traitements de surface, additions, mise en forme, etc., viennent s'ajouter à la métallurgie chimique, pour constituer l'ensemble des opérations de la métallurgie. 1.1. Etude des matériaux métalliques - Quelques définitions Sans pour autant se submerger de connaissances (voir autres cours ou littérature), il faut statuer sur quelques définitions si utiles et si nécessaires au bon petit métallurgiste qui veut aussi bien se faire comprendre que comprendre les autres. Par exemple, il faut savoir ce qui caractérise un métal, connaître clairement la différence entre un métal pur et un alliage, ce qu'est un cristal, ce qu'est la liaison métallique, etc. Dans le tableau périodique de MENDELEEV, les trois quarts des éléments sont des métaux. Un métal se distingue d'un non métal (ou amétal) par un ensemble [1] Une petite remarque consiste à dire que métal et alliage sont généralement confondus dans la même notion car un métal pur et utile n'existe pratiquement pas. D'ailleurs, le métal seul, à quelques exceptions près, n'a pas les propriétés requises pour les utilisations courantes et par conséquent, pas beaucoup d'applications industrielles. Si l'or est généralement utilisé pur, l'avidité pour l'or n'est pas reconnue comme activité industrielle (enfin pas officiellement).


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spécifique de propriétés physiques, mécaniques et chimiques. Sans entrer dans les détails, on peut dire que : - les propriétés physiques comme la masse volumique et les températures de

transition sont assez élevées, - les propriétés mécaniques comme la résistance et la dureté sont aussi assez

élevées, - les propriétés chimiques sont plutôt réductrices. Au niveau des propriétés, un métal pur ne va pas se comporter comme un alliage qui est un ensemble d'au moins deux métaux. L'alliage est d'ailleurs constitué dans l'espoir d'une synergie des propriétés de chaque métal. Quand un alliage est sous forme liquide ou en fusion et qu'il se refroidit, la solidification de l'alliage se produit sur un intervalle de température et non une température unique, qui va varier avec la composition de l'alliage. Ces phénomènes sont en général reportés sur des diagrammes S-L (solide-liquide) pour les mélanges binaires (à deux composants) et les figures ci-dessous présentent quelques exemplaires diversifiés parmi les plus (re)connus.

liquidus

solidus

0 1

T

0 1

T

0 1

T

0 1

T

Exemple : Ni-Cu , Fe-Mn

le plus répandu

Exemple : Fe-Cr, Fe-Ni, Ni-Au

Exemple : Sn-Pb Exemple : Pt-Au

solution solide !

! " !"

L L

L

E

E

E1 + EE

+ E2

E1 E2

Mélange eutectique Mélange péritectique

E1 E2

E1 + E2

P

L

S

L'analogie avec les diagrammes L-V est assez frappante. L'établissement de ces diagrammes est principalement expérimental et en tout cas nécessaire à l'étude des procédés métallurgiques.


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Un alliage est très souvent majoritairement binaire ou ternaire. Les autres éléments sont ou doivent être en quantités suffisamment négligeables pour ne pas influencer les propriétés globales des métaux dominants de l'alliage. Cependant, il doit être précisé que l'action des éléments peut varier très fort de l'un à l'autre et que des proportions parfois minimes de certains peuvent vite influencer les propriétés d'un alliage. Industriellement parlant, cela montre l'importance capitale de l'obtention d'un alliage bien épuré. On considère qu'un mélange est miscible, c'est-à-dire qu'il constitue une phase homogène, quand on ne sait pas y distinguer de phases différentes. Certains des diagrammes précédents montrent des exemples d'alliages présentant des ensembles hétérogènes (eutectique et péritectique). L'hétérogénéité des phases peut aussi s'étendre à la phase liquide, deux constituants métalliques à l'état fondu peuvent être plus ou moins miscibles et donc se séparer en deux phases liquides distinctes (comme en extraction liquide-liquide). Cela complique les représentations graphiques et leur interprétation. La difficulté de la représentation graphique s'accroît aussi avec le nombre de métaux dans l'alliage et la compréhension, aussi bien que l'estimation, deviennent beaucoup plus empiriques. La difficulté des diagrammes s'accroît encore lorsque les mélanges de métaux présentent plus de deux points eutectiques (point E sur les diagrammes précédents) ou des points eutectique et péritectique (point P) ou encore lorsqu'un même métal peut exister sous plusieurs formes cristallines. Dans ce dernier cas, il est dit allotropique. Les différentes formes allotropiques d'un métal diffèrent notamment dans certaines de leurs propriétés. Afin de ne pas prendre n'importe quel exemple pour le plaisir et dans le cadre des procédés métallurgiques, on peut de suite citer celui du fer (voir aussi le diagramme du fer-carbone plus loin). Le fer existe sous trois formes allotropiques : - le fer α , qui existe jusqu'à 910 C, il cristallise dans le système cubique centré, il

est magnétique jusque 768 C, - le fer γ , qui existe jusqu'à 1400 C, il cristallise dans le système cubique à faces

centrées mais le motif est plus large, il est non magnétique, il est un peu plus dense que le précédent,

- le fer δ , qui fond à 1535 C, semblable au fer α mais le cube est un peu plus large, il est non magnétique, il dissout mieux le carbone.

On vient de le sous-entendre pour le fer, l'état métallique est un état cristallin, c'est-à-dire un réseau très ordonné où les atomes sont rangés selon un motif qui se répète systématiquement et régulièrement. Il est d'ailleurs dit que les métaux s'arrangent pour former des cristaux. Ceux-ci sont formés comme un ensemble d'atomes métalliques distribués en un réseau


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géométrique de motifs semblables et très réguliers. Par ce fait, les électrons périphériques sont "désolidarisés" de leurs atomes unis entre eux par la liaison métallique. Ces électrons désolidarisés constituent un nuage électronique qui explique la bonne conductivité des métaux en général. Ce nuage peut se mouvoir sous l'action d'un champ électrique. Cependant comme rien n'est parfait, les cristaux comportent des imperfections et parmi celles-ci, on retrouve principalement : - les impuretés (élément étranger), - les lacunes (une position du motif est vide), - les dislocations (zone de non symétrie cristalline). Les mots clés importants sont rappelés et on renvoie aux ouvrages d'étude des matériaux pour des explications plus détaillées, notamment au niveau des conséquences dues à ces imperfections. 1.2. Elaboration des métaux L'élaboration des métaux, c'est le domaine des procédés industriels et parmi les procédés de métallurgie chimique, il est considéré ceux relatifs au fer seul, de sorte que l'on parlera de métallurgie des ferreux ou sidérurgie et ceux concernant tous les autres métaux, on parlera alors de métallurgie des non ferreux. Quelle que soit la métallurgie envisagée, le but de tout procédé est d'extraire les métaux des minerais et de confectionner des alliages[2]. Un alliage peut renfermer deux composants (alliage binaire, il y en a des milliers) ou trois composants (alliage ternaire, il y en a des centaines de milliers). Un alliage sera élaboré afin de lui conférer les meilleures propriétés possibles, à savoir : - les propriétés physiques, c'est-à-dire la masse volumique ρ (ou la densité), le

coefficient de dilatation, le coefficient de chaleur spécifique Cp, la résistivité, la couleur, etc., ce sont des propriétés qualitatives,

- les propriétés chimiques, c'est-à-dire la résistance à la corrosion, la résistance aux agents chimiques, etc., ce sont des propriétés de stabilité,

- les propriétés mécaniques, ce sont celles qui sont définies par des essais standardisés, comme la limite élastique, le module de YOUNG (coefficient d'élasticité), la tension de rupture (ténacité), la résilience (résistance au chocs), la dureté (résistance à la déformation superficielle), etc., ce sont des propriétés utilitaires,

[2] Rappelons tout de même le sens large, puisque certains métaux purs ont des applications dans la vie courante.


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- les propriétés de façonnage, qui permettent la mise en forme d'un objet par déformation à chaud ou à froid, par usinage, par forgeage, etc., ce sont des propriétés fonctionnelles.

Toutes les propriétés précédentes ne sont pas toutes déterminables par simple analyse ou simple mesure. Par exemple, la connaissance des propriétés de façonnage fait partie de la pratique industrielle. Comme un procédé métallurgique est l'élaboration d'un alliage, on peut schématiser cette opération en deux phases (voire trois, si on considère la mise en forme finale comme troisième partie), qui sont : - l'extraction, les métaux à l'état natif sont rares, il faut donc toujours extraire le

métal du minerai dans lequel il est enfermé sous forme d'oxyde (le plus souvent), de sulfure, de sulfate, de silicate, de carbonate, de phosphate ou encore d'halogénure.

- L'affinage, après l'extraction, l'alliage obtenu titre de 90 à 99% maximum de métal

utile, un affinage est donc toujours nécessaire pour réduire les éléments indésirables ou impuretés qui, même en faibles proportions, risquent d'altérer les propriétés de l'alliage.

1.2.1. L'extraction des métaux Les métaux se rencontrent rarement à l'état natif parce que ce sont en général des éléments réducteurs, c'est-à-dire qu'ils ont une (très) forte tendance basique qui se traduit par le don de leurs électrons, de sorte qu'ils se (re)trouvent presque toujours engagés sous une forme combinée dans la nature avec des éléments accepteurs d'électrons (O, S, Cl, etc.). Pratiquement, cela revient à constater deux choses : - le métal intéressant va être en quantité limitée dans le minerai, ce qui va le rendre

économiquement exploitable ou non. Il n'y a pas de critère simple, car un minerai contenant 20% de fer n'est pas exploité actuellement (sauf conditions spéciales), tandis qu'un minerai contenant 10 grammes d'or par tonne de minerai est considéré comme riche.

- Il va falloir lutter contre une réaction spontanée (formation de l'oxyde, du sulfure,

etc.), ce qui signifie qu'il faudra fournir de l'énergie pour que la réaction chimique inverse puisse s'accomplir. Chimiquement, les réactions de destruction du composé sont endothermiques[3] et il faut une augmentation de température pour favoriser la réaction de décomposition. La chaleur ou énergie nécessaire, est

[3] C'est à comparer aux réactions de craquage, le principe reste le même.


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apportée par un combustible tel que le coke ou encore par des procédés mettant en jeu de l'électricité.

De toute façon, dans les procédés d'extraction, on sera en plus toujours amené à séparer le métal utile de sa gangue qui est constituée par les autres éléments présents dans le minerai. Ces éléments peuvent être valorisants ou dévalorisants selon qu'ils contribueront à modifier les propriétés de l'alliage dans le bon ou dans le mauvais sens. Pour fixer les idées et situer la nature du futur métal pur, il est intéressant de re classer approximativement les métaux en quatre groupes : - le groupe des alcalins (Li, Na, K, etc.) et celui des alcalino-terreux (Mg, Ca, Ba,

etc.) contiennent les métaux très réducteurs (potentiel électromoteur < -2 volts), très réactifs et qui n'existent en général que sous forme de composés ioniques (chlorures, etc.).

- Le groupe des métaux nobles (Ru, Rh, Pd, Pt, Au, etc.) qui sont très peu

réducteurs (potentiel électromoteur > 0) et qui existent sous forme de composés faciles à réduire, ou mieux encore que l'on peut trouver à l'état natif. Ce groupe est à l'extrême du précédent.

- Le groupe des métaux relativement réducteurs (Al, Ti, V, Cr, Mn, Y, Zr, Hf, etc.),

qui sont combinés naturellement à l'oxygène. C'est un groupe intermédiaire entre les deux précédents.

- Le groupe des métaux de transition (Fe, Co, Ni, Zn, Cd, Pb, Sn, etc.) et certains

semi-métaux (Ge, Ga, As, Se, etc.), qui sont fréquemment associés au soufre, voire à l'oxygène mais qui peuvent rapidement être transformés en oxydes par oxydation. Le cuivre et l’argent peuvent s’y retrouver mais ils sont parmi les moins réducteurs et seraient à la limite d’être nobles.

Des précédentes considérations, on peut dire que d'un point de vue extraction et selon l'engagement chimique du métal : - le traitement des métaux natifs, qui font partie du groupe des métaux nobles, ne

va pas poser de gros problèmes, les méthodes ne sont pas trop coûteuses. Elles sont basées sur la fusion (cuivre) ou la complexométrie (or).

- Le traitement des oxydes, des carbonates et sulfates car on obtient des oxydes à

partir de carbonates ou de sulfates par simple calcination (grillage ou décomposition thermique), est basé sur la réduction de l'oxyde par un agent réducteur. Dans la métallurgie, le réducteur industriel le plus commun est le carbone ou encore le monoxyde de carbone (exemple : fer). Mais le silicium, l'aluminium, l'hydrogène sont d'autres réducteurs utilisés lorsque l'oxyde est fort stable (exemple : chrome, vanadium, manganèse).


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- Le traitement des sulfures ou des silicates poursuit le même but, à savoir former un oxyde qui sera ensuite réduit par un agent réducteur comme indiqué précédemment. Pour le soufre, on utilise de l'oxygène et il s'agit alors de grillage (exemple : cuivre), tandis que pour les silicates, on utilise de la chaux CaO (exemple : zinc, nickel).

- Le traitement des chlorures, qui sont des composés ioniques avec les métaux

très réducteurs, est essentiellement basé sur l'électrolyse (exemple : le sodium, le magnésium et le calcium).

Les phosphates ne sont en général pas utilisés en métallurgie mais plutôt dans l'industrie des engrais. Par conséquent, on peut maintenant résumer tous les procédés d'extraction de métaux en distinguant deux grandes voies, à savoir : - la pyrométallurgie ou procédé d'extraction à haute température que la figure ci-

après situe selon la nature du minerai.

- l'électrométallurgie ou procédé par électrolyse en milieu fondu ou aqueux. C'est

une grande consommatrice d'énergie mais elle est pratiquement inévitable quand on veut une grande pureté ou incontournable quand c'est la seule solution.

Pour faire un parallélisme avec les procédés d'élaboration proprement dits ou métallurgie chimique, on a aussi pris l'habitude de parler de : - métallurgie par voie humide, c'est-à-dire l'extraction du métal à partir de

solutions aqueuses par des méthodes de précipitation, d'électrolyse, etc. C'est pratiquement l'électrométallurgie.


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- métallurgie par voie sèche, qui implique la réduction du minerai (oxyde ou

halogénure ou sulfure) par un réducteur (C, CO, H2, etc.), généralement à haute température. Elle s'apparente à la pyrométallurgie.

1.2.2. L'affinage des métaux L'affinage se doit d'éliminer ou d'enlever du produit brut, les impuretés qui nuisent à son utilisation industrielle. Il n'est pas nécessaire d'enlever tous les éléments surtout si certains amènent une amélioration des propriétés du produit, l'affinage industriel ne cherche qu'à éliminer les éléments qui seraient nocifs. Les méthodes d'élimination peuvent être : - par voie mécanique, lavage, dégazage, séparation liquide-liquide, décantation,

dans ce cas, les impuretés peuvent s'éliminer facilement, - par voie thermique, par changement d'état et grâce à la connaissance des

diagrammes S-L, on peut déterminer les zones favorables de température où le métal peut se séparer de son impureté (phénomène de liquation), ou encore au moyen d'un agent chimique qui va se combiner aux impuretés pour donner des produits faciles à séparer,

- par voie électrolytique, le métal est déposé plus pur à la cathode au départ de

l'anode, les impuretés restent dans la solution. Les méthodes d'affinage par voie thermique sont les plus utilisées industriellement, surtout en sidérurgie, parce qu'elles permettent de grandes capacités de traitement. Les méthodes de purification comme l'affinage conduisent à des métaux ou alliages à faibles pourcentages d'impuretés, mais selon le degré de pureté à atteindre, on aborde ensuite les techniques de raffinage (quasi pur) et de superaffinage (extrapur). 1.3. Etapes du procédé complet de métallurgie Avant de passer à la description de certains procédés métallurgiques, on décrit rapidement ci-après les étapes généralement nécessaires à un procédé métallurgique complet, impliquant les manipulations indispensables, préalables et ultérieures. 1.3.1. Traitement du minerai et traitement du combustible Le minerai doit subir plusieurs opérations de préparation, car après extraction, il n'est pas prêt à l'utilisation directe dans les réacteurs.


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Les premières sont tout naturellement le concassage ou le broyage pour amener le minerai à des dimensions convenables. Ensuite, ce minerai subit des traitements thermiques préalables surtout si c'est un carbonate ou un sulfate (calcination pour éliminer le CO2 ou le SO3) ou si c'est un sulfure (grillage) pour qu'il soit sous forme d'oxyde(s). Une des étapes importantes de la préparation est l'agglomération du minerai pour obtenir une matière première convenable (peu poussiéreuse) et de composition assez constante (le réacteur fonctionne à l'état stationnaire). Une autre étape, surtout pour les minerais pauvres (cuivre, zinc, plomb etc.) est l'enrichissement qui consiste en une sorte de lavage à l'eau avec des réactifs convenables pour éliminer une partie de la gangue sous forme de boues. En passant, précisons que le combustible est aussi traité. Actuellement, la métallurgie utilise du coke, qui est du charbon épuré. On constatera plus tard qu'il a au moins deux fonctions, apporter les calories nécessaires aux réactions chimiques et jouer le rôle de réducteur d'oxydes. 1.3.2. Elaboration dans le réacteur Les matières premières soigneusement préparées et à concentrations stabilisées, sont mélangées et portées à la température de réaction Un produit brut est recueilli, qui doit encore subir des traitements d'affinage. Le réacteur est généralement appelé four, car il fonctionne à température élevée pour que la matière sorte toujours à l'état fondu et que la réaction soit possible. Le four, de grande taille, plusieurs dizaines de mètres en hauteur et/ou en largeur, pour assumer les grandes quantités, est bien évidemment le coeur[4] de tous procédés métallurgiques. 1.3.3. Séparation de la gangue La gangue contient les matières secondaires présentes dans le minerai. D'ordinaire, la gangue en fusion se sépare du métal également en fusion par démixtion et différence de densité car la nature même des deux mélanges est assez différente.

[4] Qui en doutait encore.


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1.3.4. Affinage de l'alliage Cela implique les opérations qui vont augmenter la teneur en métal utile et l'élimination des impuretés. Cette étape peut faire partie des précédentes ou est déjà faite en partie par les précédentes. Selon le degré de pureté à atteindre, on parle d'affinage, de raffinage et de superaffinage. 1.3.5. Additions éventuelles Afin de doter le métal de propriétés adéquates, des éléments en quantité déterminée sont ajoutés. La nature des éléments ajoutés ou additifs et leurs quantités dépendent de l'utilisation finale de l'alliage . 1.3.6. Traitements divers 1.3.6.1. Mise en forme La mise en forme des produits bruts finis, conduit à mettre l'alliage sous forme de fil (wire), de rond (circular bar), de profilé (metal section), de bobine (bobbin), en vue d'une utilisation spécifique. Cette opération est toujours réalisée par le procédé de laminage. Le laminage de l'alliage peut se faire à chaud ou à froid : - le laminage à chaud est effectué pour réaliser des déformations plus importantes

sans pour autant augmenter les forces de pression. Il comporte deux étapes. Dans la première, l'alliage est coulé et transformé en un semi-produit fini de section carrée (bloom ou billette) ou rectangulaire (slab ou brame). Dans la deuxième étape, le semi-produit fini est dirigé vers différents trains qui conduisent à faire des produits plats (tôles) ou des produits longs (profilés, fils, tubes, etc.).

- le laminage à froid est effectué pour les faibles épaisseurs de produits, car la

déperdition calorifique ou l'oxydation est trop importante à température plus élevée, de sorte que l'opération est menée à l'ambiance. L'alliage laminé à froid aura une limite élastique plus élevée et un allongement plus faible (lames de rasoir, cordes de piano, etc.).

1.3.6.2. Traitements thermiques Les traitements thermiques d'un alliage sont des opérations de chauffage et de refroidissement sans apport de matière qui vont conduire à une amélioration des propriétés mécaniques par augmentation de la limite élastique et diminution de la fragilité de cet alliage.


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Les traitements thermiques, comme la mise en forme ou les traitements de surface, ne modifient pas la composition de l'alliage mais bien son état ou sa structure. Les traitements thermiques classiques sont : - la trempe, cette opération vise à augmenter la ténacité globale de l'alliage, celui-ci

est chauffé à une certaine température puis assez rapidement refroidi. La vitesse de refroidissement influence directement l'état final de l'alliage. La trempe conduit généralement à des alliages très durs mais plus fragiles.

- Le revenu, cette opération peut suivre la trempe afin d'atténuer l'augmentation de

fragilité provoquée par cette trempe. Le revenu atténue les effets dus à la trempe, il réaugmente l'allongement et la résilience mais il diminue la dureté et la limite élastique. L'opération consiste aussi à chauffer à une température inférieure à celle de trempe puis à refroidir mais moins rapidement que pour la trempe.

- Le recuit, cette opération vise à atténuer les états hors équilibres de l'alliage. C'est

donc une opération de rehomogénéisation qui tend à faire disparaître les contraintes apparues lors de traitements thermiques ou mécaniques précédents. Le recuit est un cycle thermique comprenant un chauffage, suivi d'un maintien isotherme de durée variable à cette température dite de recuit, ensuite le cycle est ponctué par un refroidissement lent puis plus rapide. Le recuit va donc améliorer la ductilité de l'alliage (allongement et résilience).

1.3.6.3. Traitements de surface Les traitements de surface visent à améliorer les propriétés mécaniques externes de l'alliage, notamment sa résistance à l'usure. Un alliage homogène ne peut réunir simultanément de bonnes propriétés de résistance (limite à la rupture, limite élastique, limite à la fatigue) et de bonnes propriétés de ductilité (élasticité, allongement, résilience) car ces propriétés varient en sens inverse. Par exemple, l'obtention de la résistance pour un acier implique que cet acier soit riche en carbone tandis que la ductilité implique le contraire. La technique des traitements de surface va à la rencontre de ces exigences en créant un alliage hétérogène où la couche externe a des propriétés différentes de la couche interne. Pour ce faire, il y a plusieurs techniques, ci-dessous quelques-unes des plus courantes : - la trempe superficielle, on traite une couche de 1 à 10 mm par un chalumeau ou

un courant alternatif. Le chauffage et le refroidissement doivent être rapides pour ne pas être transmis à l'intérieur.


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- La cémentation ou carburation, où l'opération consiste à augmenter la teneur en carbone de la surface (par un cément contenant du carbone comme le méthane) puis de faire une trempe. La surface a les qualités d'un alliage riche en carbone (les carbures sont plus durs).

Ce procédé s'applique notamment aux aciers peu alliés. - La nitruration, cela consiste à engendrer la constitution de nitrures dans l'alliage

dont la dureté peut s'avérer très élevée. Cependant, pour les aciers, la nitruration ne s'applique qu'aux aciers alliés, car les nitrures de fer ne sont pas plus durs que les carbures de fer. L'opération se fait à température sous courant gazeux d'ammoniac, ce traitement est plus cher que la carburation.

- Le chromage, il s'agit de déposer électrolytiquement une couche de chrome sur

l'alliage (0.01 à 0.5 mm). Le chrome a une grande dureté naturelle et résiste très bien au frottement, ainsi qu'à l'oxydation. Dans le même esprit, on cite encore en vrac l'étamage, le cadmiage, le nickelage, le zincage (ou galvanisation), l'ébonitage, l'émaillage, la phosphatation, etc.

Pour être à la hauteur de l'actualité, il faut aussi citer l'implantation électronique qui consiste à bombarder la surface du matériau à traiter par un faisceau d'ions accélérés. Cette nouvelle technique propose une voie intéressante pour les procédés industriels car la variété des éléments qui peuvent être utilisés, est aussi grande que la partie métallique du tableau de Mendéléev lui-même.


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2. La Sidérurgie 2.1. Introduction La sidérurgie[5] est la métallurgie du fer et de ses alliages. La plupart des processus dont on vient de parler dans les paragraphes précédents sont applicables en sidérurgie. En fait, la sidérurgie fabrique essentiellement de l'acier et de la fonte qui sont des alliages de fer et de carbone. Comme interlude, quelques propriétés utiles du fer, élément déjà trouvé et exploité avant J.C. : Fer : Fe Métal argenté Masse moléculaire : 55.847 kg kmol-1 Tf = 1535 C Teb ≈ 2750 C ρ = 7860 kg m-3 La production annuelle d'acier est assez élevée, elle était de plus ou moins 700 millions de tonnes en 1987 et d'environ 550 MT en 70. En 1991, elle s'élevait aux alentours de 780 MT, tandis que celle de la fonte atteignait les 530 MT. En 2010, elle est estimée à 1100 MT. La croissance n'est donc plus très forte ces derniers temps et le marché a même tendance à saturer surtout dans les pays industrialisés. Un des problèmes de l'acier est d'être concurrencé par des produits nouveaux et efficaces comme les matières plastiques (polymères). Quoiqu'il en soit, la fabrication de l'acier fait encore partie des industries lourdes de base et son avenir immédiat n'est pas strictement menacé, on aura toujours besoin d'acier[6]. En fait, ce sont les techniques de production qui ont et vont encore évoluer en se modernisant. Par exemple, la recherche de la précision et de la régularité entraîne un développement considérable des équipements de contrôle et d'automatisation afin de produire beaucoup, vite et aux moindres frais[7].

[5] Sidérurgie vient du grec σιδεροσ = fer et εργον = travail. [6] Notamment pour la fabrication des nerfs et des poumons. [7] Evidemment, on ne peut pas dire que c'est une révolution sociale au niveau de l'emploi.


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On peut dire que dans les cinquante dernières années, la sidérurgie a fortement progressé du point de vue technique et que cela a permis de multiplier par 100 la capacité de production d'un haut-fourneau (actuellement, on peut aller jusque 10000 tonnes par jour et même plus) par rapport à celle du siècle précédent. Pour une étude claire des procédés, la connaissance (parfaite pour les métallurgistes) du diagramme fer-carbone (figure ci-dessous) apparaît comme plus que nécessaire.

Compte tenu de la composition de l'alliage (pourcentage en carbone), le diagramme permet de savoir de quel type d'alliage il s'agit, ce qui est fondamental pour les traitements de celui-ci. Il va sans dire que les propriétés vont varier d'un type à un autre. Dans cet esprit et en ce qui concerne les alliages fer-carbone, il convient d'abord de faire les distinctions suivantes, on parle de : - fer, quand le pourcentage en carbone est quasi nul (peu utilisé dans les

applications industrielles),


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- acier, lorsque ce pourcentage est de l'ordre de 0.02%[8] et qu'il ne dépasse de toute façon pas 2%,

- fonte, lorsque le pourcentage en carbone est supérieur à 2% (en fait de 2 à 4.3% de C, plus c'est moins fréquent[9]).

Les trois alliages précédents sont appelés aciers ordinaires, car ils ne contiennent pas d'éléments supplémentaires si ce n'est en quantité involontaire et très réduite (< 0.05%). Lorsque des éléments différents (métalliques ou non) sont ajoutés volontairement, il faut alors parler d'aciers alliés. Dans le diagramme fer-carbone, on rencontre plusieurs composés d'acier qui ont leurs propriétés et caractéristiques propres. Ce sont notamment : - la ferrite ou fer α, structure cubique centrée, cette forme ne dissout pratiquement

pas de carbone, 0.02% au maximum à 721 C, la ferrite est un matériau magnétique, doux, peu tenace, très ductile et très résilient.

- L'austénite ou fer γ, structure cubique à faces centrées, cette forme peut

dissoudre jusqu'à 2% de carbone, elle est très ductile mais peu résistante mécaniquement. Elle n'est pas magnétique.

- Le fer δ , structure cubique centrée , pratiquement identique à la ferrite mais qui

peut dissoudre jusqu'à environ 0.1% de carbone. - La cémentite ou Fe3C (6.67% de C), c'est une combinaison très dure mais aussi

très fragile. - La perlite, c'est un composé eutectique de ferrite et de cémentite, la perlite est

dure, résistante, assez ductile. - La lédéburite, c'est un composé eutectique d'austénite et de cémentite, peu

ductile, dure et fragile. Les quatre premiers constituent des phases homogènes tandis que les deux suivants sont des composés formés de deux familles différentes. A l'aide du diagramme, on peut dire que les constituants des trois catégories énoncées en premier, sont donc : - pour le fer, de la ferrite ou de l'austénite,

[8] Les pourcentages seront toujours exprimés en poids, sauf contre indication locale. [9] En général, on ne désire pas faire des crayons à base de fer, c'est trop dur pour écrire, ni des voitures en graphite, c'est salissant.


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- pour l'acier, cela va dépendre de la teneur en carbone, mais ce sera des mélanges de perlite, d'austénite, de ferrite et de cémentite, en tout cas jamais de lédéburite,

- pour la fonte, de la lédéburite plus de la cémentite (fonte blanche) ou de la lédéburite et du graphite (fonte grise).

Il faut préciser qu'il existe d'autres structures d'alliages non présentes sur le diagramme comme la troostite, la bainite et la martensite qui résultent de transformations dans des conditions particulières de température et de fonctionnement. Selon le traitement thermique appliqué, ces structures peuvent être aussi des constituants particuliers des aciers. Après cette analyse ou mise au point des divers constituants des aciers et des fontes, il faut revenir au procédé industriel pour encore et toujours rappeler que l'élaboration de l'acier ou sidérurgie a toujours pour objet : - d'extraire le fer de son minerai, - d'élaborer dans des fours d'aciérie, la nuance d'acier ou l'alliage demandé par

l'utilisateur, - de couler le métal liquide et le solidifier, - de donner à ce métal la forme exigée par la clientèle. 2.2. Extraction du fer L'extraction du fer est la première partie du processus. Elle se réalise dans des réacteurs appelés hauts-fourneaux, où le produit obtenu est de la fonte qui contient environ 94% de fer. C'est un ou le procédé type de pyrométallurgie. Le schéma ci-après indique les entrées-sorties nécessairement impliquées dans le fonctionnement du haut-fourneau :

Il convient d'analyser respectivement les entrées, le réacteur et enfin les sorties.


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2.2.1. Matières premières du réacteur haut-fourneau 2.2.1.1. Minerai de fer L'obtention de fonte se fait généralement à partir d'un minerai d'oxyde. Comme cela vient d'être montré, on s'arrange pour l'obtenir comme tel. La valeur d'un minerai dépend de sa teneur en fer et de la nature des autres éléments aussi bien que de la gangue[10]. Dans le cas du minerai de fer, le manganèse augmente la valeur de ce minerai alors que le soufre est considéré comme un élément nuisible. Il est difficile à éliminer et responsable d'un composé à bas point de fusion. Les éléments supplémentaires qui améliorent les propriétés de l'alliage ne doivent évidemment pas nécessairement être éliminés. Les gisements actuellement exploités (environ 2400 MT par an en 2010) contiennent des minerais de fer qui ont une teneur en fer supérieure à 40% de fer et les minerais les plus utilisés sont : - les carbonates FeCO3 (48% Fe), ce sont les genres sidérose (on en trouve en

Europe), - les oxydes, comme la wustite FeO (77% Fe, inexistant naturellement), l'hématite

Fe2O3 (70% Fe) qui sont des oxydes anhydres, ou la limonite 2 Fe2O3 3 H2O (60% Fe), etc., on trouve des oxydes un peu partout,

- les magnétites comme la magnétite Fe3O4 (72% Fe), le minerai le plus riche naturellement et le plus difficile à traiter, on en trouve en URSS et en Suède.

Les autres minerais ne sont pas actuellement exploités (environ 180 000 MT), de sorte que l'extraction du minerai est basée sur la réduction de l'oxyde de fer. Les éventuels sulfates sont préalablement calcinés pour obtenir l'oxyde. Les hauts-fourneaux modernes produisent de 10000 à 15000 tonnes de fonte par jour, ce qui nécessite un apport journalier de minerai de plus de 20000 à 30000 tonnes, si ce minerai titre au moins 50%. A titre indicatif, chaque haut-fourneau de l’ancienne dénomination COCKERILL produit environ de 8 à 10 kilotonnes par jour de fonte alors que sa capacité maximum pourrait avoisiner les 15 kilotonnes.

[10] La gangue est la substance stérile qui accompagne le minerai. Cela peut être n'importe quoi, c'est-à-dire d'autres métaux, mais aussi des non-métaux. Compte tenu de la texture de la croûte terrestre, il y a souvent des silicates et des aluminates.


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2.2.1.2. Combustible Un des combustibles encore largement utilisé actuellement est le coke qui est un charbon prétraité. En effet, pour la qualité de la fonte, il est intéressant d'utiliser un combustible assez propre, débarrassé de ses impuretés comme le soufre, dont la teneur est limitée à 1% pour éviter au maximum la pollution de l'air et de la fonte, mais aussi débarrassé de ses poussières[11], de ses matières volatiles, etc. Le coke est obtenu par distillation en vase clos du charbon, à une température de 1200 C. L'opération dure une quinzaine d'heures et on obtient de ce fait un combustible normalement bien épuré. Le coke possède en plus une résistance à l'écrasement et à l'abrasion supérieure à celle du charbon. Une consommation classique de coke se situe aux environs de 450 à 500 kg par tonne de fonte, ce qui représente une consommation journalière d'au moins 4500 tonnes si la production de fonte est par exemple de 10 kilotonnes par jour. Cependant, l'amélioration des techniques utilisant l'injection de charbon pulvérulent dans l'air entrant, permet de réduire de plus de la moitié les consommations ci-dessus, ce qui entraîne ainsi d'importantes économies, vu le prix de cette matière. 2.2.1.3. Fondants Les fondants servent à éliminer la gangue qui accompagne le minerai, sous forme d'un composé appelé laitier. Le laitier (voir plus loin) va contenir la plupart des matières dites stériles du minerai et va se séparer de la fonte par différence de densité (2 à 3 pour le laitier, 7 à 8 pour la fonte), tous deux étant à l'état fondu. De toute façon, la composition tourne autour des silico-aluminates de Ca et Mg. Si le minerai est à base de silice SiO2 ou d'alumine Al2O3 (assez courant), on va ajouter des fondants à base de calcaire contenant du CaO et/ou du MgO. Et réciproquement, si le minerai est à base calcaire. La masse de laitier produite varie de 0.3 à 1.2 tonne par tonne de fonte et sa teneur en CaO, MgO, SiO2 et Al2O3 est supérieure à 95%. Les laitiers sont utilisés pour les constructions routières, pour l'obtention de ciment et de briques, ainsi que pour le calorifugeage. [11] D'où économie sur l'achat d'aspirateurs géants.


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2.2.1.4. Oxygène ou air Le comburant ou oxydant (l'oxygène) a pour premier rôle de brûler le coke ou le charbon (le combustible ou réducteur) afin d'apporter les calories nécessaires à l'ensemble des réactions métallurgiques. Cet oxygène doit aussi contribuer à constituer le CO, qui considéré maintenant comme un des plus importants agents réducteurs du minerai de fer. On utilise de l'air, de l'air enrichi ou encore de l'oxygène pur. Dans ce dernier cas, il faut être situé près d'une compagnie de distillation d'air ou près d'un réseau d'oxyducs. La tendance est d'utiliser de l'air pour le haut-fourneau mais pour l'affinage de la fonte, c'est l'oxygène qui est de plus en plus utilisé. Avant d'entrer dans le haut-fourneau, l'air, appelé métallurgiquement le "vent", est préchauffé jusqu'à une température de 1000 C pour arriver à un niveau de température élevé à la combustion, surtout favorable à la formation de CO. Actuellement, l'air est préchauffé dans de très grands échangeurs appelés COWPER. Ce sont des grandes tours alimentées en discontinu par l'air à préchauffer, puis par les fumées venant du haut-fourneau (ou les fumées venant des cokeries). Ce processus permet de récupérer une partie des calories des fumées et ainsi de faire quelques économies d'énergie. L'investissement est important, car il faut plusieurs COWPER pour assurer une marche continue mais l'énergie devient tellement chère (et cela continue à augmenter), que cela s'est avéré plus que rentable. La figure suivante illustre un tel appareil.


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Gaz HF Fumées

Air

Vent ou

air chaud

C

h

a

m

b

r

e

d

e

c

o

m

b

u

s

t

i

o

n

10 m

30

-50

m

C

La fabrication d'une tonne de fonte requiert environ 4000 Nm3 d'air. 2.2.1.5. Remarque pour l'eau L'eau est abondamment utilisée dans la sidérurgie mais elle n'est pas une matière première qui intervient comme réactif dans le haut-fourneau. On l'utilise en grandes quantités pour refroidir les parois du réacteur. La consommation d'eau peut être environ de 5 m3 à la minute.


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2.2.2. Réacteur d'extraction du minerai Le haut-fourneau est le réacteur sidérurgique, où s'élabore la fonte qui contient essentiellement le fer réduit, du carbone et d'autres éléments mais en quantité limitée. 2.2.2.1. Caractéristiques du haut-fourneau C'est un réacteur gaz liquide solide de forme circulaire, placé verticalement. La figure ci-dessous montre la physionomie générale et les différentes parties de ce réacteur :

GUEULARD

CUVE

VENTRE

ETALAGE

CREUSET

On peut déjà habilement remarquer que ce réacteur laisse apparaître trois parties de longueurs inégales. En bas, le creuset, qui est la partie séparation. Le milieu est constitué de la partie étalage-ventre-cuve et il comprend le gros des transformations physico-chimiques. Finalement le gueulard, en haut, qui fait office d'entrée sortie et de mise en train. La charge solide (minerai + coke + fondant) est introduite par le gueulard d'où sortent aussi les fumées. La fonte et le laitier sont recueillis dans le creuset mais à des niveaux différents, de manière discontinue, quoique actuellement la tendance semi-continue tente de s'imposer. Le vent ou air est introduit entre l'étalage et le creuset. Le fonctionnement repose sur un mouvement ascendant des gaz et un mouvement descendant des solides (la charge). Au fur et à mesure que les solides descendent dans le réacteur, ils subissent des transformations chimiques, le minerai est progressivement réduit[12]. La matière descendante devient ensuite pâteuse et finit

[12] On peut dire qu'il devient de plus en plus "petit".


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par se liquéfier avant d'aboutir au creuset. Les solides mettent plusieurs dizaines d'heures pour traverser le réacteur (15 à 20 heures). Les gaz, introduits en bas sous forme d'air chaud, brûlent le coke et le transforment en monoxyde de carbone (un des réducteurs). Ces gaz remontent dans le réacteur et réagissent chimiquement avec les solides descendants. Les gaz traversent le réacteur en quelques secondes (environ 10 sec.). Il apparaît donc clairement que le haut-fourneau est un réacteur à contre-courant chimique et thermique. Ce qui va encore se comprendre par la suite. 2.2.2.2. Les réactions dans le haut-fourneau Les réactions qui se déroulent dans le haut-fourneau sont du type oxydoréduction et la réaction fondamentale globale tourne autour de la réduction du Fe2O3. Les sidérurgistes avisés considèrent deux sortes de réduction, à savoir celle qui se fait par les solides (le carbone), c'est la réduction directe et celle qui se fait par les gaz (CO, H2), c'est la réduction indirecte. Afin que ces réactions aient lieu, la température doit être élevée et d'ailleurs, on atteint la fusion vers le bas du réacteur. La valeur élevée de la température est justifiable par des considérations thermodynamiques et même cinétiques, de plus il s'avère également intéressant d'atteindre la fusion pour la séparation liquide-liquide du laitier et de la fonte. Les diverses études entreprises pour améliorer la marche du haut-fourneau considèrent actuellement qu'il existe grosso modo 7 grandes zones réactionnelles (plutôt plus ou moins inclinées normalement). Ce sont les zones de : - Préchauffage - Egalisation - BOUDOUARD - Fusion - Métallurgique - Combustion - Creuset Ces zones sont illustrées sur la figure suivante (les valeurs numériques indiquées sont de gros ordres de grandeurs de températures en Celsius) :


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GUEULARD

CUVE

VENTRE

ETALAGE

CREUSET

Air

GazMinerai

FondantCoke

Laitier

Fonte

Préchauffage

Egalisation

Boudouard

Fusion

Métallurgique

Combustion

Creuset

900

250

1000

2000

150

1500

1200

1400

1500

ZONE

2.2.2.2.1. Réactions dans la zone de préchauffage Dans cette zone, on assiste notamment à : - l'évaporation de l'eau éventuellement contenue dans la charge solide, - la décarbonatation de certaines matières (par exemple CaCO3, MgCO3), - la déshydratation de matières contenant de l'eau [par exemple Fe(OH)3]. Au point de vue des transformations, on considère qu'il y a déjà réduction indirecte des oxydes selon les réactions :


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Fe2O3 + CO → 2 FeO + CO2 Fe2O3 + H2 → 2 FeO + H2O Cette zone marque donc le début des réactions de réduction des oxydes de fer. 2.2.2.2.2. Réactions dans la zone d'égalisation Dans cette zone, on assiste à de grands échanges de masse, avec la poursuite de la réduction indirecte des oxydes de fer par le CO mais selon les réactions : FeO + CO → Fe + CO2 FeO + H2 → Fe + H2O CO + H2O → H2 + CO2 (équilibre du gaz à l'eau) C'est cette dernière réaction qui entraîne la formation d'hydrogène qui agit aussi comme un agent réducteur. L'eau provient de l'humidité de l'air, du minerai, du coke et de sa combustion, etc. Cette réaction prend place vers le haut du réacteur, car elle est favorisée par une diminution de température (dans le sens où elle est écrite ci-dessus, elle est exothermique). La décarbonatation du CaCO3 continue et s'achève à ces températures plus élevées (décarbonatation plus difficile que pour le Mg). 2.2.2.2.3. Réactions dans la zone de BOUDOUARD Les réactions de réduction indirecte montrées ci-dessus, sont toujours présentes mais la température devient suffisamment élevée pour, simultanément, entraîner un ramollissement des matières et favoriser les réactions plus endothermiques, comme la réduction directe par le C. Cette réduction directe est symbolisée par la réaction : FeO + C → Fe + CO A partir de cette zone, la réduction directe va même prendre le pas sur la réduction indirecte. L'expérience (et le flair) montre cependant que la réduction indirecte est plus économique (elle consomme moins de coke) que la directe. Il faut donc restreindre cette dernière, ce qui est réalisé par un bon concassage ainsi que par l'agglomération adéquate du minerai. Ces dispositions rendent plus facile l'action des gaz (développement de la surface de contact).


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2.2.2.2.4. Réactions dans la zone de fusion L'éponge de fer qui se constitue dépasse sa température de fusion et se liquéfie. Il en est de même pour le laitier. On a donc apparition de deux phases liquides bien distinctes de densité et de composition très différentes. Les réactions de réduction sont toujours en voie de continuation. 2.2.2.2.5. Réactions dans la zone de métallurgique C'est toujours la poursuite de certaines réactions comme celles de réduction directe mais d'autres réactions entrent aussi en jeu, comme : 3 Fe + 2 CO → Fe3C + CO2 cémentation 3 FeO + 5 CO → Fe3C + 4 CO2 cémentation Fe + S → Fe S sulfuration Cette dernière, c'est-à-dire la réaction de sulfuration, est très gênante puisqu'elle conduit à la formation de sulfure de fer qui est nuisible aux propriétés de l'acier. Le soufre est très difficile à éviter car il provient essentiellement du coke. Heureusement, une partie est déjà oxydée dans le haut-fourneau et sort avec les fumées sous forme de SO2 (d'où l'odeur). Le sulfure ferreux doit quand même être éliminé le plus possible de la fonte et cette opération est réalisée par l'action de la chaux et du manganèse. On a en gros : FeS + CaO → FeO + CaS FeS + MnO → FeO + MnS FeS + Mn → Fe + MnS Dans cette zone, où la température est élevée, il faut ajouter aussi les réactions avec d'autres oxydes (en ne considérant que les principaux éléments susceptibles d'accompagner le minerai) comme : MnO2 + CO → MnO + CO2 MnO + C → Mn + CO SiO2 + 2 C → Si + 2 CO P2O5 + 5 C → 2 P + 5 CO (s'il y a du phosphore) La totalité du phosphore (s'il y en a puisqu'on essaie de l'éviter) passe dans la fonte, tandis que le manganèse se répartit moitié-moitié. La silice est plus difficile à réduire et aura tendance à rester dans le laitier. Tous les oxydes accompagnant le minerai ne sont pas nécessairement réductibles, par exemple pour CaO, MgO, Al2O3, etc., la température n'est pas suffisamment élevée (ces métaux sont d'ailleurs eux-mêmes trop réducteurs, il faut dépasser les 2200 C).


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2.2.2.2.6. Réactions dans la zone de combustion Du coke incandescent arrive à la zone de combustion, l'oxygène de l'air brûle ce carbone et la température augmente jusqu'à des valeurs supérieures à 2000 C. A cette température, le monoxyde de carbone est plus stable que le dioxyde de carbone qui est en plus réduit en monoxyde par le carbone. Il est possible d’imaginer l'oxydation du C en CO2 par l’afflux de O2, ce qui élève la température à plus de 2000 C, suivi de la réduction du CO2 par le C en excès pour donner du CO. Globalement : 2 C + O2 + 3.76 N2 → 2 CO + 3.76 N2 + calories La phase gazeuse ainsi constituée, en fait aussi la phase qui possède les calories, qui vont être cédées, au cours de l'ascension des gaz, aux différentes matières, dans le haut-fourneau. La phase gazeuse très chaude est ce nécessaire apport de chaleur qui permet le déroulement des réactions de réduction. 2.2.2.2.7. Réactions dans la zone du creuset Cette zone est divisée en deux parties, l'une est le creuset réacteur où s'achèvent les réactions précédentes, l'autre partie est le creuset décanteur où le laitier et la fonte apparaissent sous formes de deux phases liquides distinctes. Le laitier est au-dessus car il a une densité 2 à 3 fois plus faible que celle de la fonte. 2.2.3. Analyse des produits obtenus Comme cela a d^être vu dans la figure précédente, il est admis de considérer que les produits obtenus se répartissent en 3 sorties. 2.2.3.1. La fonte C'est du fer saturé de carbone (4 à 6%). Cette saturation est due au statut liquide du fer qui dissout le carbone présent en excès. Le carbone sera présent sous forme de composé dans Fe3C (ou cémentite) ou sous forme de graphite, cela donne deux types de fontes aux propriétés légèrement différentes. Quand le graphite est présent dans la fonte (dite grise), il aura tendance à adoucir cette fonte compte tenu de ses propres propriétés mais la résistance sera diminuée. Par contre, le composé Fe3C (présent dans la fonte dite blanche) est dur et résistant, rendant pareilles les propriétés de la fonte.


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On rappelle que les propriétés intéressantes de la fonte sont sa grande dureté, sa grande résistance (traction et usure), sa bonne conductibilité thermique. C'est aussi un matériau cassant (fragile car peu résilient). D'autres éléments sont présents dans la fonte : - le silicium (0.5 à 3%), qui tend à favoriser la formation de fonte grise donc à

l'adoucir, - le manganèse (0.5 à 1.5%), qui tend à favoriser la formation de fonte blanche,

donc à l'endurcir, le Mn se combine au soufre et atténue son effet néfaste, - le phosphore (0.05 à 2.5%), qui tend à augmenter la fluidité de la fonte mais aussi

la fragilité, - le soufre (teneur maximum de 0.15%), élément néfaste par excellence sur la

plupart des propriétés, sauf s'il se combine au manganèse. La fonte est utilisée comme telle pour les pièces moulées (fonte de moulage) mais la majeure partie de cette fonte sert à l'élaboration de l'acier. D'après les éléments ci-dessus et leurs pourcentages, on peut comprendre que la fonte est un produit considéré comme assez impur. 2.2.3.2. Le laitier Le laitier est le résultat des combinaisons des différents éléments provenant de la gangue du minerai, des fondants du coke et du charbon. Ils sont constitués par la silice (SiO2, 30%), l'alumine (Al2O3, 15%), la chaux et la magnésie (CaO et MgO, 45%), les oxydes de fer et de manganèse (FeO et MnO, 1%) et du sulfure de calcium (CaS, 5%). Le laitier permet donc d'éliminer les indésirables amenés par le minerai, sans trop entraîner de fer, tout en attirant les quelques éléments non réduits. Le laitier sert aussi à éliminer une grande partie du soufre (avec CaO). Grâce au contrôle de la composition chimique du laitier, on peut aussi influencer la composition chimique de la fonte en Si ou en Mn. La température de fusion du laitier varie de 1400 à 1700 C selon sa composition. Elle est élevée et déterminante, donc on peut comprendre pourquoi la température des hauts-fourneaux est si élevée puisqu'il faut également atteindre la fusion du laitier. 2.2.3.3. Les gaz Les gaz sortant au gueulard contiennent encore du monoxyde de carbone (30% en volume), de l'hydrogène (5%) mais aussi des éléments inertes comme N2 (55%) et CO2 (10%), ainsi qu'un certain degré d'humidité (5%).


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Environ 5 g de poussières sont également entraînés par m3 de gaz. Cette composition de gaz et le volume dégagé sont bien sûr directement reliés à plusieurs facteurs comme la température, la qualité du charbon, du coke et de la fonte, le fonctionnement, etc. Ces gaz sortent à une température d'environ 200 C et ils sont généralement utilisés pour récupérer des calories. Autrefois, ce gaz était employé comme combustible (gaz de ville par exemple) mais il a été abandonné à cause du CO, qui est un gaz vraiment trop dangereux. 2.2.4. Dimensions du haut-fourneau Afin de fixer les idées, la figure suivante indique des ordres de grandeurs classiques pour les dimensions de hauts-fourneaux.

Le fonctionnement du haut-fourneau est amélioré par la hauteur car on favorise les échanges de chaleur, mais une trop grande hauteur augmente les risques d'écrasement et la résistance au passage des gaz. De même, on ne peut trop augmenter le diamètre de l'appareil, car si cela améliore la combustion, cela rend difficile l'injection de l'air jusqu'au milieu. La sortie supérieure du réacteur se rétrécit pour tenir compte de la contraction des gaz. Pour la raison inverse, la section augmente jusqu'à l'étalage mais pour aussi


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faciliter la descente des solides et tenir compte de la dilatation. Après, la section se rétrécit de nouveau car le volume des matières diminue compte tenu de la disparition du coke et/ou du charbon (une partie est transformée en gaz). Les parois internes, d'épaisseur supérieure à 1 mètre, sont en briques silico-alumineuses ou en carbone. L'armature est métallique pour une question de résistance mécanique. Il ne faut cependant pas dire que le haut-fourneau est le gros appareil du procédé car ce sont surtout les dispositifs annexes nécessaires à son fonctionnement et à sa manutention qui prennent le plus de place. Ces dispositifs sont en vrac : - les appareils de chargement (bennes, grues, trémies, etc.), - les récupérateurs de chaleur des gaz (COWPER, voir figure ci-avant), - les systèmes d'épuration des gaz (cyclones, épurateur électrostatique, etc.) - sans compter les entrepôts de matières premières. 2.3. Elaboration de l'acier La deuxième partie du processus de l'élaboration sidérurgique est l'affinage de la fonte pour en faire de l'acier. L'affinage de la fonte est l'élimination d'une partie du carbone de la fonte pour obtenir des aciers ordinaires contenant de 0.02 à 0.5% en C. D'autres éléments comme le Si, le S, le P, etc., voient aussi leur pourcentage diminuer au cours de l'opération d'affinage. Actuellement, l'élimination de ce carbone se fait par oxydation et le schéma suivant rassemble les matières mises en jeu dans l'affinage de la fonte :

Comme l'acier est élaboré à partir de la fonte liquide, l'idéal économique est que l'aciérie soit près du haut-fourneau. Cependant, une contrainte vient de la différence de cadence entre les deux, ce qui se résout par la présence d'une zone tampon (le "mélangeur", non représenté ici), qui rend les marches indépendantes (voir plus loin). D'autres avantages de cette zone tampon sont de permettre l'homogénéisation et la désulfuration de la fonte, les sulfures viennent à la surface et sont oxydés, ils se retrouvent aussi dans les scories plus légères.


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Tout comme la fonte, l'acier renferme d'autres éléments que le fer, passons les brièvement en revue dans le cas de l'acier ordinaire (entre parenthèses, leur pourcentage final) : - le carbone (0.02 à 0.5%) est en solution dans le fer ou sous forme de carbures,

c'est l'élément qui a le plus d'influence sur les propriétés de l'acier, le carbone augmente la résistance et la dureté de l'acier mais il diminue la ductilité,

- le silicium (0.05 à 0.3%) n'a pas grande influence sur les propriétés de l'acier si ce n'est de le rendre plus coulable,

- le manganèse (0.2 à 0.8%) existe sous forme de MnS et de carbure Mn3C, sa présence est bienfaisante pour l'acier (il combat le soufre et l'oxygène) et améliore la dureté (favorise la fonte blanche),

- le phosphore (teneur maximum de 0.08 %) est néfaste car il augmente la fragilité de l'acier, cet élément doit être limité,

- le soufre (teneur maximum de 0.05%), autre élément néfaste sur la plupart des propriétés, cet élément doit être limité,

- l'oxygène (teneur environ de 0.04%), plus difficile à doser, il est plutôt néfaste à cause des oxydes qu'il peut former, ces derniers n'améliorant pas les propriétés.

La teneur en carbone de l'acier est donc nettement inférieure à celle de la fonte. L'élimination de ce carbone et d'une partie des impuretés (S, O, P) se fait tout simplement par oxydation en utilisant de l'oxygène de l'air ou pur, cela dépend des procédés mais la tendance est à l'oxygène pur. Au point de vue des éléments, il vient que : - le carbone brûle avec l'oxygène et s'élimine facilement à l'état gazeux sous forme

CO et CO2, - le silicium brûle avec l'oxygène et se transforme en SiO2 qui se retrouve dans les

scories (laitier), combiné aux oxydes basiques (MnSiO3, CaSiO3, FeSiO3, etc.), - le manganèse brûle et s'oxyde donc en MnO, oxyde basique qui peut se combiner

avec SiO2 et se retrouver aussi dans les scories, - le phosphore s'élimine plus difficilement par l'oxygène, le P2O5 formé n'est pas

stable en présence de C, il faut introduire de la chaux (CaO) pour qu'elle se combine au P2O5 formé et ainsi passer dans les scories,

- le soufre ne s'élimine pas par l'oxygène car la température est trop élevée (en fait, il est combiné au Fe ou au Mn), il faut de nouveau utiliser de la chaux (formation de CaS).

Les réactions chimiques sont, dans l'ordre de facilité de réalisation : 2 C + O2 → 2 CO (la plus importante)

CO + 12 O2 → CO2 2 Fe + O2 → 2 FeO 2 Mn + O2 → 2 MnO 2 P + 5 FeO + 3 CaO → Ca3(PO4)2 + 5 Fe FeS + CaO → FeO + CaS (désulfuration)


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FeO + Mn → MnO + Fe (étape de réduction) Si + O2 → SiO2 La fonte est fabriquée dans un milieu réducteur, le haut-fourneau, tandis que les impuretés de l'acier doivent être éliminées par oxydation (sauf le soufre). L'opération d'affinage se fait finalement en deux étapes, la première est l'oxydation pour éliminer C, Si, Mn et P, la seconde étant la réduction des quelques oxydes métalliques formés (FeO) par Mn et la désulfuration par la chaux. Au cours de l'affinage, on utilise aussi de plus en plus de ferrailles afin de récupérer le fer mais aussi parce que ces ferrailles contiennent des métaux (Mn) ou des oxydes susceptibles de participer à l'affinage. Cet ajout de ferrailles permet aussi d'atténuer l'augmentation de température due à l'oxydation. Il faut se rendre compte qu'il est impossible d'éliminer toutes les impuretés puisque les réactions sont réversibles, ce sont les conditions opératoires qui permettent de minimiser la teneur en impuretés. Comme procédé d'affinage, on cite sans entrer dans les détails (on renvoie à la littérature) : - l'affinage par l'air ou procédé BESSEMER et THOMAS, OBM, etc., injection d'air

ou d'air enrichi par des tuyères situées au fond du réacteur, - l'affinage par l'oxygène ou procédé à l'oxygène LD ou LD-AC, injection d'oxygène

à la surface du bain par des lances verticales, - l'affinage sur sole ou procédé MARTIN, basé sur l'air, il permet la refusion de

ferrailles par combustion de fuel, - l'affinage électrique, basé sur le four électrique, la refusion de ferrailles est assurée

par des arcs électriques, ce procédé est de plus en plus utilisé. La production mondiale de l'acier dit électrique utilisant des ferrailles atteint actuellement les 30% de la production d'acier.

Dans chacun des procédés, il existe deux marches suivant que l'on déphosphore ou non. Pour déphosphorer, il faut de la chaux, donc il faut un revêtement de nature basique comme la chaux, la marche est dite basique. Si on ne déphosphore pas, on peut se contenter d'un revêtement en silice et c'est la marche dite acide. Terminons en disant que l'affinage ou élaboration de l'acier se fait dans un réacteur, genre cuve parfaitement mélangée, qui est généralement appellé le convertisseur. C'est un appareil d'une dizaine de mètres de hauteur et d'à peu près 5 mètres de diamètre. Selon le procédé, l'alimentation en oxygène se fait de bas en haut ou de haut en bas. Une étape comme l'addition de métaux tels que le chrome, le nickel, etc., fait partie de l'affinage global de la fonte mais toutes les aciéries ne le font pas nécessairement.


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Les opérations ultimes de l'acier sont la coulée et le laminage pour le mettre sous différentes formes (voir figure suivante). Actuellement, les procédés ont tendance à faire la coulée continue et de sorte que la coulée en lingots est progressivement abandonnée. 2.4. Le procédé sidérurgique complet La figure suivante est un schéma simplifié d'un procédé sidérurgique relativement complet, où il sera possible de retrouver aisément les parties concernant la métallurgie chimique, qui viennent d'être décrites. Ce procédé est semblable, par exemple, à celui en vigueur dans les grandes entreprises métallurgiques européennes, entre autres.


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2.5. Les aciers alliés L'acier ordinaire est celui dont l'élaboration a été décrite dans les pages précédentes. Il contient essentiellement du fer et un peu de carbone, les autres éléments ayant leurs teneurs réduites au possible (c'est-à-dire Si, Mn, P et S). Un acier allié est un acier ordinaire auquel on a ajouté un élément (ou plusieurs) en proportion suffisante (> 0.5% et parfois déjà à 0.05%) pour modifier notablement une ou certaines propriétés de l'acier. Précisons notamment, que l'ajout d'éléments supplémentaires modifie les limites du diagramme Fe-C, leur action étant bien entendu liée à l'élément et à sa proportion. Par exemple, le Ni augmente la plage austénitique du diagramme tandis que le chrome la diminue. Ceci explique pourquoi, le Ni contribue à lutter contre la fragilité d'un acier tandis que le chrome l'affaiblit. Les éléments les plus courants qui sont ajoutés dans un acier sont en vrac (en parenthèses la teneur maximum), le chrome (30%), le nickel (30%), le manganèse (15%), le silicium (5%), le tungstène (20%), le molybdène (8%), le titane (2%), l'aluminium (12%), le cobalt (18%), le vanadium (5%) et le cuivre (2%). Un acier est fortement allié s'il contient plus de 5% de l'élément supplémentaire. On renvoie obligatoirement à la littérature pour la nomenclature et l'utilisation des aciers alliés car celles-ci sont hyper standardisées. Brièvement, on décrit le rôle joué par quelques éléments supplémentaires : - le nickel abaisse les températures de transformation de l'alliage Fe-C, il accroît la

trempabilité, il augmente la résistance sans altérer la ductilité, il améliore aussi la résistance chimique.

- Le manganèse a une action semblable au nickel sauf qu'il n'arrange pas vraiment

la fragilité mais c'est aussi un bon désoxydant et désulfurant. - Le chrome augmente assez fort la résistance (mécanique et chimique) de l'acier

mais aussi sa fragilité; le chrome et le nickel sont souvent combinés pour faire des aciers INOX.

- Le titane augmente la résistance à la corrosion et la résistance mécanique à

chaud, combiné avec le chrome et le nickel, il conduit à des aciers encore plus performants.

- Le tungstène, vanadium et molybdène améliorent la résistance de l'acier (on les

retrouve dans la confection d'outils). - Le silicium améliore la résistance chimique.


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3. La Métallurgie des non ferreux 3.1. Introduction La production et fatalement la consommation mondiale d'acier est plusieurs dizaines de fois plus élevée que celles réunies de tous les autres métaux. Cela s'explique par des ressources plus importantes de matières premières ferreuses associées à un ensemble de bonnes propriétés mécaniques. Le fer s'utilise sous forme d'acier, matière facile à usiner et à forger mais pas si facile à mouler et peu résistant à la corrosion. Le fer s'utilise aussi sous forme de fonte, matériau peu coûteux, relativement facile à mouler et résistant mieux à la corrosion, mais très fragile et peu élastique. Une des raisons principales de l'utilisation des matériaux non ferreux réside dans leur bonne résistance à la corrosion associée généralement à une facilité de mise en forme. D'autres raisons se trouvent dans l'amélioration de propriétés physiques comme la conductibilité thermique ou électrique, ou comme la masse spécifique, etc. Signalons enfin que le prix des métaux non ferreux varie assez fort d'un métal à l'autre mais ils sont tous plus chers à fabriquer que l'acier et leurs minerais sont moins riches que ceux de fer. Le prix de revient de l'aluminium vaut environ 5 fois celui du fer (dont on peut retenir 0.25 Euro kg-1) et celui du cuivre vaut 2 fois celui de l'aluminium. Le nickel et le chrome, éléments importants des aciers INOX, valent chacun 15 fois le prix du fer, ce qui doit alors faire comprendre que le prix de l'élaboration de l'INOX est assez élevé par rapport à celui de l'acier ordinaire). Quant aux métaux précieux, comme l'argent, l'or, le platine, les différences de prix atteignent des sommets[13]. Ci-après et d'un point de vue métallurgie chimique, sont passés en revue les métaux non ferreux les plus utilisés industriellement. Il faut se rappeler que l'élaboration des métaux s'opère en deux parties qui sont l'extraction du métal de son minerai, suivi de l'affinage du métal extrait. Il est aussi très intéressant de consulter la littérature pour obtenir davantage de détails sur un métal qui engendrerait la passion du lecteur. 3.2. Les principaux métaux non ferreux en revue Avant d'entrer dans la métallurgie de métaux non-ferreux dont la production suit celle du fer, il est proposé ci-après une revue rapide d'autres métaux importants, quelques-unes de leurs applications courantes, ainsi qu'une petite explication de leur

[13] Que seul le Gui Ness Bouc pourrait se permettre de révéler.


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métallurgie. Cette revue ne parle pas de l'aluminium, du cuivre, du zinc, du titane et du plomb, matériaux à plus forts tonnages qui sont traités individuellement par la suite. 3.2.1. Antimoine L'antimoine est un (semi-)métal blanc-argent mat, dur et cassant. Il est trouvé principalement dans la stibine Sb2S3. Il est extrait selon une pyrométallurgie classique mais en utilisant le fer comme réducteur. Il est aussi obtenu comme sous-produit de la métallurgie du plomb. Il est utilisé dans les alliages de plomb et les matériaux antifriction, ses utilisations dans les semi-conducteurs sont importantes. Sous forme d'alliages, il est donc employé en soudure, dans les accumulateurs au plomb et dans les chevrotines. Egalement utilisé dans les peintures résistantes, dans les céramiques, dans les énamels, dans les verres, dans les poteries en caoutchouc et dans les teintures. Utilisé en tant que composé dans les retardateurs de flammes et dans les détecteurs infrarouges. 3.2.2. Argent L'argent est un métal blanc brillant et ductile, il est trouvé à l'état natif ou sous forme d'argentite Ag2S. Il est obtenu comme sous-produit des métallurgies du cuivre, du zinc ou du plomb mais il est aussi extrait par des méthodes complexométriques avec les ions cyanures ou avec les ions thiosulfates. Très souvent utilisé en bijouterie (médailles, bijoux) et en argenterie (couverts, vaisselle), dans les composants électriques, particulièrement les conducteurs (c'est le meilleur conducteur électrique), les contacteurs et les piles. Egalement utilisé dans les matériaux de dentisterie et de chirurgie. Largement utilisé auparavant dans la fabrication des miroirs par dépôt d'argent sur le verre ou comme métal pour monnaie. Largement utilisé dans la photographie (film, papier photo, verre photosensible) et pour les catalyseurs. 3.2.3. Cadmium Le cadmium est un métal bleuâtre, qui est trouvé en petites quantités sous forme de sulfure jaune dans les minerais de zinc, cuivre et plomb. Il est préparé selon la pyrométallurgie classique pour le sulfure : CdS + O2 ⇔ CdO + SO2 grillage du sulfure


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CdO + C + fondant ⇔ Cd + CO2 + gangue réduction par C Utilisé abondamment dans le recouvrement électrolytique (cadmiage) et dans les alliages (avec le Cu pour les lignes de tramway, avec l'Al pour le moulage, avec le Sn et le Bi dans les alliages fusibles). Egalement utilisé dans les piles rechargeables, dans les réacteurs atomiques (contrôle du réacteur), dans les pigments (CdS jaune), dans les plastifiants et dans les substances phosphorescentes pour les tubes couleur de TV. A noter le tellure de cadmium qui a plusieurs applications en électronique (photométrie). 3.2.4. Calcium Le calcium est un métal blanc-argent plutôt mou, abondant sur la croûte terrestre (le quatrième, 4 à 5% en poids). Il est trouvé dans la calcite CaCO3, le gypse CaSO4, la fluorite CaF2 et l'apatite Ca3(PO4)2. Dans la nature, les minerais précédents se retrouvent encore dans les matières comme le marbre, l'argile, la craie, le calcaire (= calcite), l'argonite, la dolomie (MgCO3-CaCO3), ainsi que dans les halides et silicates. Il se prépare par électrométallurgie car il est assez réducteur. Cela consiste à faire l'électrolyse en milieu anhydre du mélange fondu CaCl2-CaF2. Pas vraiment de débouchés pour le métal, même comme alliage si ce n'est qu'il est présent dans les plâtres, la chaux, le ciment, les matériaux électroniques et en alimentation (bon pour les os et les dents). De nouvelles perspectives dans la calciothermie et les piles rechargeables se dessinent. 3.2.5. Chrome Le chrome est un métal argenté brillant, dur et résistant, qui est trouvé dans la chromite FeO-Cr2O3 et un peu dans la crocoïte PbCrO4. Il est préparé selon une pyrométallurgie basée sur l'aluminium ou le silicium comme réducteur : Cr2O3 + 2 Al ⇔ 2 Cr + Al2O3 aluminothermie Mais le chrome est aussi préparé par électrolyse en milieu fondu de sels de chrome III. Le chrome (environ 5 millions de tonnes) est un métal moderne, largement utilisé pour le recouvrement par électrolyse et comme additif dans l'acier (INOX). Egalement utilisé dans les pigments, comme colorant pour le verre et dans les


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céramiques. Il est aussi utilisé dans un rôle catalytique pour la production du méthanol. C'est un des constituants du rubis (corindon ou Al2O3 avec de l'oxyde de chrome III), qui est un élément utilisé dans les lasers ou dans les montres. 3.2.6. Cobalt Le cobalt est un métal gris et c'est un des matériaux magnétiques avec le fer et le nickel. Il est associé au cuivre dans les sulfures et dans les arséniures (comme la smaltite CoAs2). Il est préparé selon la pyrométallurgie classique d'un sulfure (le C peut être remplacé par de la vapeur d'eau) : CoS + O2 ⇔ CoO + SO2 grillage du sulfure CoO + C + fondant ⇔ Co + CO2 + gangue réduction par C Principalement utilisé dans les alliages (lames de rasoir), mais aussi dans les peintures, les teintures, les vernis et comme pigments de céramiques. Elément essentiel dans le régime alimentaire humain (présent dans la vitamine B12). Le Co 60 est un isotope radioactif source de rayons gamma qui a des applications en médecine (radiations de tumeurs[14]). D'autres utilisations se trouvent dans les pots catalytiques et comme aimants permanents. 3.2.7. Etain L'étain est un métal argenté plutôt malléable, trouvé dans la cassitérite SnO2. Il est préparé selon la pyrométallurgie classique pour l'oxyde : SnO2 + C + fondant ⇔ Sn + CO2 + gangue réduction par C Utilisé dans le revêtement des aciers (étamage, pour la fabrication des boites à conserve et pour les tuyaux d'orgue) et dans les alliages (bronze). Les composés sont également utilisés dans les revêtements des verres et dans les fongicides (peintures anti-algues). Utilisé aussi en ornements, en soudure et dans les électroaimants.

[14] A ne pas confondre avec tu meurs de radiations, ce qui peut être le cas si l'on n'y prend garde.


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3.2.8. Germanium Le germanium est en fait un semi-métal de couleur grisâtre (à comparer au silicium) de structure fermée proche de celle du diamant. Plutôt cassant. Il est trouvé dans les minerais de blende (zinc). Sa métallurgie est difficile, le germanium présent dans le minerai est d'abord transformé en chlorure GeCl4 (traitement par du chlore Cl2), puis il faut réaliser le passage à GeO2 pour le réduire enfin à Ge en utilisant de l'hydrogène. Il est principalement utilisé pour les semi-conducteurs (transistors, diodes, cellules solaires). Il donne des alliages qui se dilatent au refroidissement. Utilisé pour les moulages de précision et pour les verres spéciaux (optique pour les prismes infrarouges, les réflecteurs de projecteurs). Egalement utilisé en médecine (notamment dentisterie). 3.2.9. Hafnium Le hafnium est un métal argenté brillant, résistant à la corrosion à haute température. Il est trouvé à raison de 1 à 2% dans les minerais de zirconium auquel il est fort apparenté au point de vue des propriétés. La séparation n'est pas facile vu les quelques propriétés voisines de celles du zirconium. Il peut être séparé par résines échangeuses d'ions ou par réduction de HfCl4 par le magnésium. A l'opposé du zirconium, c'est un puissant absorbeur de neutrons et il est donc utilisé dans les réacteurs nucléaires pour les gaines de sondes de contrôle. Utilisé dans les superalliages pour les réacteurs d'avion et les sous-marins nucléaires. 3.2.10. Lithium Le lithium est un métal légèrement argenté, très réactif et c'est le plus léger des métaux (534 kg m-3). Assez rare, il est trouvé dans la spodumène LiAlSi2O6, la pétalite LiAlSi4O10 ou encore la lépidolite (c'est un mica, c'est-à-dire aussi un silicate d'aluminium). Vu sa grande réactivité, il ne peut être préparé que par électrolyse en milieu anhydre du mélange fondu LiCl-KCl. L’obtention du chlorure de lithium est obtenue par dissolution du minerai. Utilisé comme fluide échangeur de chaleur (réacteur nucléaire), dans les armes thermonucléaires, les céramiques et les verres optiques. Utilisé aussi comme initiateur-catalyseur dans les réactions polymériques. C'est dans les piles


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rechargeables ou dans celles des pacemakers qu'il a de nombreuses applications mais aussi comme propulsion secondaire pour les navettes spatiales. 3.2.11. Magnésium Le magnésium est un métal gris-blanc, moyennement dur et plutôt réactif. Il est présent dans beaucoup de sorte de minerais comme la carnallite KCl-MgCl2, la magnésite MgCO3, le talc Mg3Si4O10(OH)2, la dolomie MgCO3-CaCO3, l'epsomite Mg2Fe2SiO4 et dans les mica genre alumino-silicates. Il est possible de le préparer par pyrométallurgie classique avec du fer et du silicium comme réducteur : MgO + Fe ⇔ Mg + FeO Mais comme c'est un métal très réactif, il peut être tout aussi intéressant de réaliser l'électrolyse anhydre du mélange fondu KCl-MgCl2. Le magnésium (environ 300000 tonnes) est le plus léger des métaux industriels, il est utilisé dans le même but que l'aluminium pour alléger les alliages au maximum, c'est-à-dire dans les alliages des matériaux destinés à l'aéronautique (avion ou à la décoration (jantes). Egalement utilisé dans les bombes incendiaires, en photographie (flash) et dans les pyrotechniques (balles traçantes). 3.2.12. Manganèse Le manganèse est un métal argenté plus dur et plus cassant que le fer. Il est trouvé dans la pyrolusite MnO2 ou dans la hausmannite Mn3O4 ou encore dans la rhodochrosite MnCO3. Il existe sous différentes formes à basse température qui ne correspondent pas à celles rencontrées chez d'autres métaux. Il est préparé selon la pyrométallurgie classique pour l'oxyde : MnO2 + C + fondant ⇔ Mn + CO2 + gangue réduction par C L'aluminium peut aussi être utilisé comme réducteur à la place du C. Sa principale utilisation se trouve dans l'acier comme agent désoxydant et désulfurant. Egalement utilisé dans les alliages durs (coffres-forts, soc de charrue, roulement, outillage), dans les teintures, dans les peintures (pigment noir), dans les batteries, dans les céramiques et les verres. Utilisé pour la confection de matériaux hautement ferromagnétiques.


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3.2.13. Mercure Le mercure est un métal argenté et liquide à température ambiante (inhabituel pour un métal), qui est principalement trouvé dans le cinabre HgS. Un des rares grillages à donner immédiatement le métal : HgS + O2 ⇔ Hg + SO2 Utilisé dans les équipements électriques comme interrupteur, dans les lampes à vapeur, dans l'éclairage routier, les bancs solaires, dans les pompes à diffusion, dans les baromètres et les thermomètres. L'utilisation de ses composés comprend les pesticides, les plombages dentaires (amalgame), les piles, les catalyseurs, les cosmétiques. Le mercure et la plupart de ses composés sont fort toxiques et ont tendance à s'accumuler dans les animaux supérieurs. 3.2.14. Nickel Le nickel est un métal blanc brillant, dur et ductile. Il est trouvé dans la pentlandite Ni9Fe9S8 ou dans la millérite NiS ou dans la garniérite (silicate de nickel et de magnésium). C'est un des métaux magnétiques. Il est préparé selon la pyrométallurgie classique d'un sulfure : NiS + O2 ⇔ NiO + SO2 grillage du sulfure NiO + C + fondant ⇔ Ni + CO2 + gangue réduction par C L'affinage se fait comme presque toujours par électrolyse mais dans ce cas, un procédé dit au carbonyle (avec CO), permet d'arriver à un haut degré de pureté sans électrolyse. C'est basé sur l'équilibre : Ni(CO)4 ⇔ Ni + 4 CO A haute température (200 C), le carbonyle de nickel se décompose et à basse température (50 C), il vient la formation de ce carbonyle de nickel qui est très volatile et donc facile à distiller. Le nickel (environ 800000 tonnes par an) est un métal moderne, principalement utilisé dans les alliages comme le monel, le nichrome, l'invar, etc., mais particulièrement les aciers (INOX) et les fontes. Utilisé aussi comme métal de monnaies (or blanc), dans les piles rechargeables, le recouvrement (nickelage) et les matériaux magnétiques.


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3.2.15. Or L'or est un métal jaune brillant. Présent à l'état natif sous forme de petites particules dans le quartz mais aussi sous forme de dépôts après l'érosion du quartz, quelquefois sous forme de pépites. Bon conducteur de l'électricité et de la chaleur, l'or n'est pas attaqué par l'oxygène et est quasi inoxydable. Il est extrait par des méthodes complexométriques avec les ions cyanures. Lorsque l'ion complexé d'or et de cyanure a été formé, il est ensuite précipité en présence de zinc en poudre. Les principales utilisations de l'or sont trouvées dans les systèmes monétaires (référence), mais aussi en bijouterie, dans les réflecteurs d'infrarouges (réflecteurs de satellite), dans les contacteurs électriques et dans les systèmes conducteurs. Ses composés sont utilisés dans le traitement des arthrites rhumatismales et en dentisterie (couronne dentaire). Egalement utilisé comme source de radiation. 3.2.16. Platine Le platine est un métal blanc argenté, très malléable et très ductile. Le plus abondant des métaux de la famille du platine, présent naturellement à l'état natif à raison de traces dans les minerais de sulfures de métaux lourds (fer, nickel et cuivre). Inoxydable dans l'air. Les minerais subissent un traitement chimique pour obtenir du (NH4)2PtCl6 qui est ensuite décomposé à la chaleur en métal. Largement utilisé dans les placements de bijouterie-joaillerie, dans les articles de laboratoire (creuset), dans les thermocouples, dans les contacteurs électriques (notamment les électrodes) et dans les catalyseurs (production d'acide nitrique). Utilisé dans la fabrication des articles de verre de grande qualité. Ses composés ont une activité anti-tumorale. Vu sa grande inoxydabilité comme l'or, il est utilisé en dentisterie pour les couronnes dentaires. 3.2.17. Potassium Le potassium est un métal blanc argenté plutôt mou, très réactif. Il est trouvé dans la carnallite KCl-MgCl2 ou dans le salpêtre KNO3 ou encore dans les silico-aluminates du genre mica. Comme pour les métaux assez réducteurs (Na ou même les alcalino-terreux), il faut passer par l'électrolyse en milieu anhydre du mélange fondu KCl-CaCl2. Utilisé dans les engrais principalement (sous forme K2O), comme électrolyte de batteries, dans les savons, dans les cellules photoélectriques, dans les allumettes,


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dans les explosifs, dans les verres (lentilles) et céramiques. Il est utilisé aussi en médecine (sel diététique et masque à oxygène). 3.2.18. Sodium Le sodium (environ 100000 tonnes) est un métal blanc argenté, mou et léger, c'est le métal alcalin le plus répandu, se trouvant principalement sous forme de chlorure de sodium NaCl dans l'eau de mer et dans les dépôts salins. Cependant, il est également trouvé dans des minerais comme le sel gemme NaCl, le feldspath NaAlSi3O8, le nitrate du Chili NaNO3 et le borax Na2B4O7. Comme pour les métaux assez réducteurs (K ou même les alcalino-terreux), il faut passer par l'électrolyse en milieu anhydre du mélange fondu NaCl-CaCl2. L'électrolyse en milieu anhydre de NaOH fondu est aussi une possibilité. Utilisé dans l'éclairage routier, dans les batteries, en médecine, en recouvrement par électrolyse, en photographie et comme fluide caloporteur dans les centrales nucléaires. L'azoture de sodium ou NaN3 est actuellement utilisé dans les airbags, ce composé se décompose très rapidement sous l'effet de la chaleur. 3.2.19. Tungstène Le tungstène est un métal gris blanc, dur, cassant et assez inoxydable. Ses ressources se trouvent dans les minerais de wolframite FeWO4-MnWO4 ou de scheelite CaWO4 ou de tungstite WO3. Il est préparé selon la pyrométallurgie classique pour l'oxyde : WO3 + 3 H2 ⇔ W + 3 H2O réduction par l'hydrogène Largement utilisé dans les alliages d'aciers pour résister aux hautes températures (tuyères de fusée mais aussi dans la fabrication des chars, des grenades, des balles, etc.), dans les lampes électriques, dans les filaments de chauffage et dans les contacteurs électriques (électrodes de soudage). Les carbures de tungstène sont très durs et donc utilisés dans les outils de coupe. 3.2.20. Uranium L'uranium est un métal blanc argenté, lourd et radioactif, qui est assez largement répandu dans la nature, dont les minerais les plus important sont la pechblende U3O8, l'uranite UO2, la carnotite K2(UO2)2(VO4)2, la coffinite, l'autunite et la tobernite.


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Pour l'obtention de l'uranium métallique, l'oxyde est transformé en UF4 qui subit ensuite une réduction par le magnésium : UO2 + 4 HF ⇔ UF4 + 2 H2O hydrofluoration UF4 + 2 Mg ⇔ U + 2 MgF2 magnésiothermie Utilisé comme combustible nucléaire (pastilles UO2), les deux isotopes fissiles 235U et 238U (le plus commun des deux), sont très importants dans les réactions nucléaires ainsi que dans la formation des actinides. L'isotope fissile 235U est également utilisé dans les armes nucléaires. Utilisé comme additif dans les aciers, comme contrepoids, dans la coloration du verre et comme catalyseur dans la synthèse de NH3. 3.2.21. Vanadium Le vanadium est un métal argenté brillant. Il est trouvé dans la vanadinite VO et la carnotite K2(UO2)2(VO4)2. Sa préparation repose sur une pyrométallurgie assez classique mais en utilisant un réducteur comme Al ou Si ou encore l'hydrogène car le vanadium n'est pas facile à réduire. La réaction est : 3 VO + 2 Al ⇔ Al2O3 + 3 V aluminothermie Utilisé principalement comme additif à l'acier pour les outils où de la dureté est requise (ressort, outillage de force), ainsi que dans les alliages d'aluminium et dans les alliages de titane (agent de pontage). Utilisé comme catalyseur en synthèse chimique (production d'acide sulfurique) et dans les peintures anti-algues. 3.2.22. Zirconium Le zirconium est un métal gris-blanc, à l'apparence de l'acier mais beaucoup plus résistant à la corrosion, dur et ductile. Il est trouvé dans le zircon ZrSiO4 et dans la baddeyelite ZrO2. Le zirconium déhafnié est d'abord transformé en chlorure par carbochloration puis réduit par le magnésium : ZrO2 + C + 2 Cl2 ⇔ ZrCl4 + CO2 carbochloration ZrCl4 + Mg ⇔ Zr + 2 MgCl2 magnésiothermie Utilisé pour la construction des réacteurs de l'industrie chimique (grande résistance à la corrosion) et nucléaire (faible absorption neutronique), les alliages comme le zircomag ou le zircaloy sont d'ailleurs bien connus dans le domaine nucléaire (gainage). Egalement utilisé dans appareils de laboratoire et dans les aimants


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supraconducteurs. Il intervient aussi dans les céramiques et dans la fabrication de diamants artificiels. 3.2.23. Données physiques des métaux courants

Nom

Masse atomique kg mol-1

Masse spécifique kg dm-3

Temp. fusion

C

Temp. évapor.

C

Résistivité électrique

µΩ cm

Conductivité thermique

W cm-1 K-1

Antimoine 121.8 6.7 630 1750 37.7 0.24 1450 Argent 107.9 10.5 960 2212 1.6 4.29 < 0 Cadmium 112.4 8.6 321 767 7.2 0.97 1817 Calcium 40.1 1.55 850 1440 4.3 2 1808 Chrome 52 7.2 1860 2672 13 0.94 1797 Cobalt 58.9 8.7 1480 2870 6.2 1 1735 Etain 118.7 7.3 232 2260 13 0.7 < 0 Fer 55.8 7.86 1535 2750 10 0.8 < 0 Germanium 72.6 5.3 938 2830 5000000 0.6 1885 Hafnium 178.5 12.1 2227 4600 34.1 0.23 1923 Lithium 6.9 0.53 180 1336 8.5 0.85 1817 Magnésium 24.3 1.7 650 1100 6.7 1.56 1829 Manganèse 54.9 7.4 1244 1962 185 0.08 1774 Mercure 200.6 13.6 -39 357 95.8 0.08 < 0 Nickel 58.7 8.9 1455 2730 6.8 0.91 1751 Or 196.9 19.3 1064 3080 2.3 3.18 < 0 Platine 195.1 21.4 1772 3827 10.6 0.72 1735 Potassium 39.1 0.86 64 760 6.2 1.02 1807 Sodium 23 0.97 98 883 4.2 1.42 1807 Tungstène 183.9 19.3 3370 5600 5.5 1.74 1761 Uranium 238 18.5 1133 3800 33.5 0.28 1789 Vanadium 50.9 5.9 1890 3380 26 0.3 1830 Zirconium 91.2 6.4 1850 4377 41 0.23 1789 Quelques remarques - Les masses spécifiques sont mesurées généralement à la température ambiante

(soit 15-20 C) mais les valeurs peuvent sensiblement changer selon la préparation.

- Si les températures de fusion sont généralement assez précises, par contre une

plus grande imprécision règne sur celles d'ébullition, surtout si les valeurs sont élevées.

- Les résistivités sont généralement mesurées à 20 C, sauf pour Sb, Cd, Sn, Li, K,

Na où il s'agit de 0 C, pour Hf, c'est 250 C. Pour les métaux, la résistivité doit être inférieure à 1000 µΩ.cm et elle augmente si

la température augmente.


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Pour les semi-métaux, la résistivité est comprise entre 1000 µΩ.cm et 1015 µΩ.cm mais elle diminue si la température augmente (cas du Si, Ge).

Pour les isolants, la résistivité est supérieure à 1015 µΩ.cm. - La conductivité thermique est généralement celle à 25 C. - La dernière colonne contient les dates de leur découverte ou reconnaissance. Le

plus récemment découvert étant le hafnium (à Copenhague) vers 1923. 3.3. L'aluminium 3.3.1. Généralités Aluminium : Al Métal blanc bleuté Masse moléculaire : 26.98 kg kmol-1 Tf = 660 C Teb ≈ 2467 C ρ = 2700 kg m-3 L'aluminium est recherché pour sa légèreté et son bon comportement à la corrosion mais c'est un métal très difficile à extraire de son minerai qui est essentiellement représenté par la bauxite. C'est l'élément métallique le plus abondant. La bauxite est un oxyde d'aluminium hydraté, qui peut être rouge ou blanc selon la teneur en fer. La bauxite se trouve aisément en France. Un minerai adéquat de bauxite titre environ 45-60% en poids d'alumine (Al2O3). L'alumine Al2O3 existe sous deux formes. La forme α ou corindon est stable même à haute température, elle est dure, dense et réfractaire. Par contre la forme γ est moins dense compte tenu d’une structure moins compacte, elle est aussi moins dure et donc plus facile à attaquer. La production de l'aluminium était d'environ 14 millions de tonnes en 1986 et elle a quasiment dépassé les 20 millions dans le courant des années 90, en 2010 elle atteint les 48 millions. Tout comme le fer et le cuivre, l'aluminium a vu sa croissance ralentie mais proportionnellement beaucoup moins car la tendance est d'utiliser de plus en plus d'aluminium. Un aspect qui prend de l'importance dans l'industrie de l'aluminium est le recyclage des déchets (20% environ de la production) qui proviennent soit de la fabrication industrielle (2/3 sous formes de chutes ou rebuts), soit de la récupération de vieux déchets (1/3). L'aluminium est récupéré dans des fonderies pour être ensuite affiné. Ce "type" de production est bien moins cher que la production primaire. Les déchets d'aluminium se rachètent à environ 1.25 Euro par kg.


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3.3.2. Elaboration La métallurgie de l'aluminium n'entre pas dans les procédés classiques de pyrométallurgie, compte tenu de sa très grande affinité pour l'oxygène. Au point de vue procédé, cela veut dire que les techniques de réduction ou d'affinage classiques ne conviennent économiquement pas. Le procédé actuel, constitué de deux étapes, n'existe que depuis un siècle et il n'a pas changé d'un poil, si ce n'est dans la réduction de la consommation d'énergie. C'est un procédé de l'électrométallurgie. La première partie du processus consiste à attaquer la bauxite par du NaOH pour aboutir in fine à de l'alumine anhydre, aussi pure que possible. Ce dernier subira alors l'électrolyse dans un bain de cryolithe[15] [AlF3(NaF)3] pour obtenir l'aluminium fort pur (99.5%). La cryolithe est utilisée comme fondant, c'est-à-dire qu'elle abaisse la température de fusion de l'alumine qui est fort élevée puisqu'elle peut dépasser les 2000 C. La fusion et donc l'électrolyse de l'alumine aux environs de 950 C, ne sont devenus industriellement réalisables qu'à partir de cette découverte. Le procédé est basé sur la succession des réactions chimiques suivantes : minerai (Al2O3 + autres) + 2 NaOH → 2 NaAl(OH)4 + H2O + gangue Attaque de la bauxite (200 C) NaAl(OH)4 + 2 H2O → Al(OH)3 ↓ + NaOH Précipitation du trihydrate d'alumine (60 C) 2 Al(OH)3 + chaleur → Al2O3 + 3 H2O Calcination pour obtenir l'alumine pure (900 C) 2 Al2O3 + 3 C + AlF3(NaF)3 → 4 Al + 3 CO2 + 2 NaF + NaAlF4 Electrolyse de l'alumine (950 C) La consommation d'électricité du procédé est fort élevée, à savoir plus de 13000 kWh par tonne d'aluminium, pour une intensité de courant de 300000 A. L'extraction de l'aluminium ne peut s'envisager économiquement qu'aux endroits où le kWh est suffisamment bon marché et abondant (près des sites genre cascade par exemple). La figure suivante est une illustration de l'électrolyse (la dernière étape) de l'alumine fondue dans un bain à base de crylolithe, selon le procédé Hall-Héroult.

[15] La cryolithe est trouvée au Groenland (sans rire) ou bien, par crainte du froid, elle peut être préparée selon la réaction : 12 HF + Al2O3 + 6 NaOH → 2 AlF3(NaF)3 ↓ + 9 H2O (un débouché du HF).


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L'aluminium liquide se dépose au fond du creuset d'où il est soutiré périodiquement par écoulement vers des poches de coulée. Les anodes en carbone graphite sont consommées à raison de 400 kg par tonne d'aluminium. 3.3.3. Applications C'est surtout dans l'aéronautique que l'aluminium a de plus en plus de débouchés pour confectionner des alliages légers. Il est aussi utilisé dans la fabrication des casseroles vu ses bonnes propriétés thermiques et sa bonne résistance à la corrosion, ainsi que dans les emballages (notamment les canettes) où il excelle (très malléable, léger et non toxique). L'aluminium pur est aussi utilisé pour les conducteurs électriques (cables) où il allie légèreté et bonne conduction. Il est d'ailleurs préféré au cuivre pour les transports aériens. Il est aussi utilisé pour faire les compact disque ou CD (feuille d'aluminium noyée dans le polycarbonate. C'est seulement combiné que l'aluminium a les propriétés mécaniques suffisantes pour les applications courantes de la mécanique. Le duralumin ou dural (93-94% de Al, 4-5% de cuivre avec du Mn et du Mg comme éléments secondaires) est un des alliages les plus connus, il a les caractéristiques mécaniques d'un acier avec la légèreté en plus (les cyclistes n'en finissent pas de dire merci dural).


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Un autre exemple d'alliage est l'alpax, qui est un alliage de 87% d'Al et de 13% de silicium, utilisé pour la confection de pièces moulées résistantes (fonderie de moulage). De nouveaux "alliages" d'aluminium se profilent : - avec 2 à 3% de lithium, un gain de poids de 10% est obtenu, ce qui est fort

apprécié dans l'aéronautique, - avec du bore et du carbure de silicium, il est possible d’élaborer des composites à

très hautes performances mécaniques et chimiques, - avec du nickel et de l'yttrium, par une trempe ultra rapide sont formés des verres

métalliques amorphes d'aluminium de grande homogénéité, résistants à la corrosion et avec des propriétés mécaniques atteignant des records (découverte récente en 1981, applications pratiques à venir).

3.4. Le cuivre 3.4.1. Généralités Cuivre : Cu Métal rouge Masse moléculaire : 63.54 kg kmol-1 Tf = 1083 C Teb ≈ 2567 C ρ = 8920 kg m-3 Le cuivre est utilisé depuis très longtemps (5000 avant J.C., découvert à Chypre) pour sa belle couleur et sa résistance à la corrosion. Le cuivre est donc un "vieux" métal qui a connu de nombreuses applications mais il n'est pas pour autant tombé dans l'oubli. Actuellement, compte tenu notamment de ses excellentes propriétés de conducteur électrique (principal débouché). La production de cuivre était d'environ 10 millions de tonnes en 1986 pour moins d'un million au début du siècle et elle n'a guère dépassé les 10 millions depuis le début des années 90, par contre actuellement en 2010, elle atteint les 17 millions de tonnes. Comme le fer, le cuivre doit faire face à un marché saturé et sa production n'a pratiquement pas augmenté ces dernières années. C'est associé à l'étain à travers les alliages de bronze que le cuivre a connu la plupart de ses applications et quand la teneur en étain augmente, la dureté de l'alliage en fait de même.


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Le cuivre est un des rares éléments qui existe un peu à l'état natif (Etats-Unis et Brésil) sinon il est trouvé plutôt sous forme de sulfures (Etats-Unis, Chili, etc.) ou d'oxydes-carbonates (Chili, URSS, etc.). Les minerais les plus utilisés pour la métallurgie sont les sulfures (chalcopyrite CuFeS2 ou chalcosite Cu2S) et l'extraction du métal est réalisée selon les deux méthodes de la métallurgie, à savoir la pyrométallurgie ou voie sèche et l'électrométallurgie ou voie humide. Les minerais titrent de 0.5 à 2% maximum de cuivre et sont accompagnés de fer qui vient de la pyrite FeS2. Vu sa grande stabilité chimique, notamment vis-à-vis de l'oxydation, la majeure partie du cuivre peut être récupéré et recyclé. Un tiers de la consommation provient du cuivre des procédés de recyclage. A ce titre, il peut être intéressant de signaler qu'à la récupération, le cuivre de fil électrique coûte environ 1.35 Euro par kg, alors que le bronze fait 1.1 et le laiton 0.9 (prix indicatifs). 3.4.2. Elaboration 3.4.2.1. Métallurgie par voie sèche La métallurgie par voie sèche, c'est-à-dire la pyrométallurgie, est la plus importante, mais elle nécessite tout d'abord, un enrichissement préalable du minerai jusqu'à une teneur massique de 20 à 40%. Par la suite, un grillage partiel du minerai permet d'obtenir une première élimination du soufre et d'autres éléments comme le fer qui est plus réducteur et qui a plus d'affinité pour l'oxygène que le cuivre. Ensuite, une opération de fusion sans oxygène et en présence de silice permet de constituer une matière appelée la matte (40 à 70% de cuivre). Cette matière contient du Cu2S et d'autres sulfures comme FeS. La matte est ensuite oxydée par l'oxygène dans un four aux environs de 1000 C. Le cuivre obtenu est du cuivre noir appelé blister, qui titre environ 95-98%. Ces blisters sont ensuite transformés en anodes, pour être ensuite affinés, par voie électrolytique. En résumé, les étapes chimiques simplifiées sont : Enrichissement : minerai pauvre + agents sélectifs → minerai concentré Grillage partiel : minerai concentré + air → minerai grillé + gangue Fusion : minerai grillé + SiO2 + CaO → Cu2S(FeS)n + scories Matte Convertissage : 2 Cu2S(FeS)n + 3n O2 → 2 Cu2S + 2n SO2 + 2n FeO Oxydation : Cu2S + O2 → 2 Cu + SO2 Blister


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Les réactions, très exothermiques, ne nécessitent aucun apport d'énergie et le cuivre en fusion est coulé en blister de 200 à 500 kg. Ces derniers, refondus en anodes solubles, subiront alors l'affinage électrolytique pour obtenir du cuivre 99.9%. 3.4.2.2. Métallurgie par voie humide La métallurgie par voie humide ou électrométallurgie s'attaque aux minerais pauvres qui sont généralement des oxydes ou des composés d'oxydes de cuivre. Elle consiste en une dissolution du minerai suivie de la précipitation du métal. Le dissolvant utilisé est le sulfate ferrique Fe2(SO4)3 qui attaque le sulfure de cuivre et le transforme en sulfate de cuivre. Le sulfate de cuivre obtenu est précipité par la suite en cuivre par le fer ou électrolytiquement. Si le minerai est à base de fer, les étapes chimiques sont :

Lessive : 2 FeS2 + 152 O2 + H2O → Fe2(SO4)3 + H2SO4

Dissolution : 5 Fe2(SO4)3 + Cu2S + 4 H2O → 2 CuSO4 + 4 H2SO4 + 10 FeSO4 Electrolyse : CuSO4 + Fe → FeSO4 + Cu A la place du fer comme réducteur, du dioxyde de soufre (SO2) ou du sulfure d'hydrogène (H2S) peut aussi utilisé. La méthode est progressivement améliorée pour des raisons pratiques (nécessité du sulfate de fer et acide sulfurique). 3.4.3. Applications Le cuivre est abondamment utilisé dans les conducteurs électriques (55%) pour les fils câbles, circuits imprimés. Sous forme d'alliages c'est surtout le bronze (Cu + Sn) et le laiton (Cu + Zn) qui ont le plus d'applications (les teneurs en métaux respectifs vont varier d'une application à l'autre). Le bronze est utilisé pour faire des engrenages, des hélices, des éléments d'électricité (contacteurs), des objets d'art, etc. Le laiton est utilisé en plomberie (15%, robinets, tuyaux), en ferronnerie (clenches) et en armurerie (douille). Signalons encore comme alliages, les cupro-nickels qui permettent de fabriquer notamment le constantan dont la résistivité est quasi indépendante de la température et les maillechorts, alliage ternaire de cuivre, zinc et nickel qui allient les avantages des laitons (mouillabilité et usinabilité) et des cupro-nickels (très bonne résistance à la corrosion). Le domaine de la supraconductivité est un des secteurs de pointe promettant de nouvelles applications pour le cuivre intervenant dans des composés sous forme d'oxyde. Il n'est pas possible de passer sous silence le rôle biologique du cuivre car il a une bonne compatibilité avec l'environnement. C'est un oligo-élément essentiel à la vie


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(rôle catalytique dans la fabrication de l'hémoglobine) et d'autre part, il possède des propriétés fongicides et bactéricides (1 g de cuivre peut détruire jusqu'à 5000 g de micro-organismes). C'est pourquoi, il est tant utilisé dans la distribution de l'eau, la fabrication de la bière, etc. 3.5. Le titane 3.5.1. Généralités Titane : Ti Métal Masse moléculaire : 47.90 kg kmol-1 Tf = 1660 C Teb ≈ 3287 C ρ = 4500 kg m-3 Le titane est exploité industriellement à partir de minerais de rutile (TiO2) ou d'ilménite (TiO2 avec du FeO et du Fe2O3). Le titane devient incontestablement un métal de pointe car il est de plus en plus utilisé dans les technologies avancées puisqu'il permet de confectionner des alliages légers réalisant le meilleur rapport propriétés mécaniques-densité. On peut ajouter qu'il est quasi inoxydable, tout comme l'aluminium car il y a formation d'un film d'oxyde qui assure la passivation du métal. Le titane dépasse maintenant les 2 millions de tonnes par an pour les principaux producteurs pour un million vers les années 90. Il conserve de bonnes propriétés mécaniques à température élevée et de ce fait, est utilisé pour la fabrication des fusées compte tenu de sa légèreté allié à sa meilleure résistance à la température. 3.5.2. Elaboration L'élaboration du métal n'est pas une métallurgie simple ni classique (réduction au carbone). Comme le métal est assez difficile à réduire, on passe par le stade halogénure, puis on réduit ce dernier par du sodium ou du magnésium. En partant de minerai d'ilménite ou de rutile qui contiennent de l'oxyde de titane, on réduit cet oxyde en chlorure par du chlore gazeux selon : TiO2 + 2 C + 2 Cl2 ⇔ TiCl4 + 2 CO Carbochloration


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Cette réaction se passe dans un réacteur à lit fluidisé par le chlore gazeux, à la température de 800 C, température maintenue par le C qui brûle. Le TiCl4 obtenu est séparé facilement par distillation (température d'ébullition de 136 C). Le chlorure de titane est ensuite réduit par un métal très réducteur comme le sodium ou le Mg (procédé Kroll), dans un four creuset à la température de 800 C et sous atmosphère inerte, selon la réaction : TiCl4 + 4 Na (ou 2 Mg) ⇔ Ti + 4 NaCl (ou 2 MgCl2) Réduction Le réacteur est illustré à la figure suivante.

Le mélange Ti et NaCl est ensuite récupéré sans ménagement, pour être broyé puis lavé à l'eau pour éliminer le sel. Les granulés récupérés, appelés éponges de titane, vont être transformés en électrodes consommables qui seront amenées à la purification dans un four électrique et sous vide. 3.5.3. Applications Comme précisé dans l'introduction, c'est dans les alliages à hautes performances mécaniques qui est retrouvé les applications les plus courantes. Les alliages réalisés sont utilisés dans le domaine de l'aéronautique et de l'aérospatial, ce sont des matériaux de choix pour les moteurs et les cellules d'avion à réaction, les missiles et les engins spatiaux. Sa grande inoxydabilité lui donne des débouchés dans l'industrie chimique où la corrosion risque d'être importante (fabrication d'acides, du chlore, construction d'échangeurs en milieu marin, etc.) mais aussi comme catalyseur (réaction de


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polymérisation). Ajoutons le domaine de la médecine pour les prothèses chirurgicales osseuses. Le titane intervient aussi sous forme de TiO2 (production de plus de 4 MT par an), qui est un pigment blanc utilisé dans l'industrie comme colorant. 3.6. Le zinc 3.6.1. Généralités Zinc : Zn Métal blanc-bleuté Masse moléculaire : 65.38 kg kmol-1 Tf = 420 C Teb ≈ 910 C ρ = 7100 kg m-3 Les propriétés mécaniques du zinc sont assez faibles (moyennement dur et cassant) mais il est quasi inaltérable à l'air car il se recouvre d'une couche assez résistante de carbonate hydraté. La résistance de cette couche est cependant fonction de l'humidité puisqu'elle décroît lorsque l'humidité augmente. Le zinc est principalement trouvé dans la blende ZnS et dans certains oxydes[16]. Les minerais titrent de 5 à 10% de ZnS. Le zinc est extrait industriellement par pyrométallurgie (voie sèche) ou électrométallurgie (voie humide). La production de zinc était d'environ 7 millions de tonnes en 1987 et elle a tendance à stagner méchamment. Elle a connu une augmentation fin des années nonante pour se situer à 12 millions de tonnes en 2010. 3.6.2. Elaboration Par pyrométallurgie classique, le minerai est d'abord transformé en oxyde de zinc puis il subit le même traitement que le fer. Une des difficultés du procédé vient de la vaporisation du zinc, inconvénient renforcé par le fait que, sous cette forme, le zinc est plus facilement oxydable par le dioxyde de carbone (surtout à basse température). Il faut alors travailler à une température suffisante (1000 à 1400 C), en vase clos (oxydation facile par O2) et avec une grande quantité de coke (pour éviter la formation de CO2).

[16] La calamine ou calamite contenant ZnCO3, à ne pas confondre avec la calamité, est une association de silicate et de carbonate de zinc.


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Par électrométallurgie, il est d'abord grillé s'il s'agit de sulfure, puis l'oxyde obtenu est attaqué par l'acide sulfurique. La solution obtenue est ensuite électrolysée. Le produit obtenu est plus pur mais plus cher à cause de l'électrolyse. 3.6.3. Applications La principale utilisation du zinc réside dans son utilisation pour revêtir l'acier (galvanisation ou zincage) afin de le protéger de la corrosion atmosphérique ou comme protecteur anodique de tuyauteries souterraines. Sous forme de feuilles, il est abondamment utilisé en zinguerie. Comme alliage, à part dans le laiton, le zinc entre aussi dans la constitution du zamak (Zn et 4% Al, 0.05% Cu, 0.05% Mg) qui est utilisé dans l'industrie automobile pour la fabrication des pompes à essence, des carburateurs, des calandres, etc. On peut encore citer le kayem, proche du zamak mais 3% de Cu pour des applications en fonderie (outils de presse). Sous forme d'oxyde de zinc (pigment blanc), il est utilisé dans les peintures, dans la fabrication de caoutchoucs, dans les plastiques, dans les textiles, comme charge inerte. Sous forme de sulfure de zinc, il est utilisé pour la production de caoutchouc, dans les peintures luminescentes, les rayons X, les écrans de TV et les lampes fluorescentes. 3.7. Le plomb 3.7.1. Généralités Plomb : Pb Métal gris bleu Masse moléculaire : 207.21 kg kmol-1 Tf = 325 C Teb ≈ 1740 C ρ = 11400 kg m-3 Le plomb est exploité industriellement à partir de la galène PbS mais la plupart des minerais sont souvent accompagnés de fer et surtout de zinc qui est gênant pour les applications du plomb. Un minerai intéressant titre de 1 à 12% de PbS. Du zinc est aussi trouvé dans le sulfate de plomb naturel et la cérusite ZnCO3[17]. Le plomb est un très vieux métal qui a de très mauvaises propriétés mécaniques mais une excellente résistance à la corrosion (sauf dans les eaux pures non

[17] Avis aux amateurs, c'est un méchant poison, appelé aussi céruse ou blanc de céruse.


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minérales). Le plomb est un élément ultime de toutes les séries de désintégrations radioactives. La production du plomb était d'environ 8-9 millions de tonnes en 1986 mais plus de la moitié de cette production est constituée par du plomb de récupération car celui-ci se prête bien au recyclage (le kg est évalué à un quart d'Euro). Son marché est en régression alors que certaines têtes en ont bien besoin. Actuellement, elle se situe aux environ de 6-7 millions de tonnes par an. 3.7.2. Elaboration La métallurgie du plomb consiste d'abord en un flottage pour enrichir le minerai, suivi par un grillage du minerai pour obtenir de l'oxyde de plomb. Par la suite, il est élaboré selon le même traitement que le fer c'est-à-dire dans un haut-fourneau avec du coke et quelques astuces spécifiques (comme du fer dans le fondant pour mieux désulfurer, etc.). C'est donc un processus classique de pyrométallurgie. L'affinage dépend ensuite des accompagnants du plomb, les techniques sont donc spécifiques mais en gros, c'est une métallurgie proche du fer. 3.7.3. Applications C'est dans la fabrication des batteries et des piles rechargeables (25%) que se trouvent encore les principales utilisations du plomb car il est pratique et moins coûteux par rapport au nickel ou au cadmium. Le plomb est aussi utilisé pour les blindages, pour les alliages antifriction, pour la protection des câbles électriques, comme matériau antibruit, comme additifs antidétonants (en régression constante), comme bouclier anti-radiation ou d'insonorisation, dans les peintures (minium) et dans les verres de haute qualité (cristal). Les composés du plomb sont toxiques et nuisibles à la santé. C'est pour cette raison que des conduites d'eau sanitaire en plomb ne sont plus fabriquées.


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4. Résumé sur l'industrie métallurgique La métallurgie est une technique industrielle fort ancienne alors que la connaissance métallographique est une science plutôt jeune. En effet, pour bien comprendre et donc améliorer les procédés métallurgiques, il a bien fallu comprendre les structures métalliques et les lois qui régissent les mélanges de métaux, autrement appelés alliages. Cette compréhension n'a été possible que par l'amélioration des techniques expérimentales et d'analyses sophistiquées comme la spectrographie, la microscopie électronique, etc. A l'instar des schémas synthétisant l'industrie chimique en général, on peut encore proposer pour l'industrie métallurgique, un schéma semblable :

Il faut encore s'apercevoir que la structure industrielle s'est aussi fortement rationalisée autour d'un même schéma industriel type où l'élaboration des multiples produits finis est aussi basée sur un ensemble d'intermédiaires. Les conclusions énoncées pour l'industrie chimique classique restent tout aussi valables ici. Pour diminuer le prix de revient d'un produit métallurgique, on aura tendance à concevoir des procédés automatisés et continus impliquant des gros tonnages. En fait, le principe de la plupart des procédés de métallurgie n'a pas fondamentalement changé par rapport à l'époque où ils ont fait leurs débuts industrieux. Ce sont les rendements qui se sont surtout améliorés grâce aux nouvelles techniques, aux nouveaux matériaux, à une meilleure connaissance des processus, etc.


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Dans l'industrie métallurgique, l'élaboration du fer reste incontestablement le tout gros tonnage mais il faut bien reconnaître que le marché des métaux connaît une certaine saturation car beaucoup de ces métaux sont concurrencés par des produits modernes comme les matériaux polymériques qui ont de plus en plus tendance à les remplacer dans un grand nombre d'applications. Parmi les matières premières les plus utilisées, on a vu que l'air est très utilisé mais il en est de même de l'eau qui est employée surtout pour le refroidissement. La métallurgie est d'ailleurs un des plus gros consommateurs d'eau et d'air, donc elle se doit aussi de veiller à la sauvegarde de la qualité de ces matières. Il va sans dire que le charbon fait partie des matières essentielles de la métallurgie mais les quantités de charbon sont encore importantes actuellement. Ces conclusions sont applicables aux minerais, cependant le recyclage des métaux prendra de plus en plus d'importance pour des raisons d'économie et de pollution. Avant de conclure, rappelons encore une fois et pour se faire grand plaisir, les questions fondamentales de l'industriel animé du mouvement perpétuel de la réflexion scientifico-économico-technologique, qui doivent tout autant rester à l'esprit de l'industrieux métallurgiste : A partir de quelles matières premières va-t-on faire le produit et où sont-elles

disponibles ? Quelle va être la situation de l'entreprise ? Quels sont les procédés qui vont permettre de fabriquer le produit ? Quel est le marché pour le produit envisagé ? Compte tenu des matières premières, des procédés et du marché, est-ce que la

production sera rentable ? "Wasn't it so nice."


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5. Bibliographie C. CHAUSSIN, G. HILLY "Métallurgie, alliages métalliques" Tome 1, 7ème édition, DUNOD Paris, 1967 "Métallurgie, élaboration des métaux" Tome 2, 7ème édition, DUNOD Paris, 1968 R. PERRIN, J.-P. SCHARFF "Chimie industrielle", tome 1 et 2 Editions MASSON, 1993 Métallurgie - Techniques de l'ingénieur 21, rue de la casquette, Paris 6ème Revues usuelles : Journal of Metals EU Metallurgical and Chemical Engineering EU Metallurgical Reviews GB Techniques de l'ingénieur F Métallurgie et Construction Métallique F Metallstatistik D


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6. Questions relatives au chapitre Qu'est-ce que la métallurgie chimique ? Quelles sont les principales matières premières utilisées par l'industrie métallurgique ? Qu'est-ce qu'un alliage, l'état métallique, un cristal, la liaison métallique ? Qu'est-ce qu'un point eutectique, péritectique ? Quelles sont les propriétés caractéristiques des métaux ? Quelles sont les variétés allotropiques du fer ? Quelles sont les propriétés intéressantes des métaux ? Quelles sont les différentes catégories de métaux ? Qu'est-ce qu'un procédé métallurgique ? Pourquoi faut-il travailler à haute température dans les réacteurs métallurgiques ? Qu'est-ce que l'extraction des métaux et quelles sortes de minerais exploite-t-on ? Qu'est-ce que la pyrométallurgie ? Qu'est-ce que l'électrométallurgie ? Qu'est-ce que l'affinage des métaux ? Décrivez brièvement les diverses étapes d'un procédé métallurgique complet. Qu'est-ce que le laminage ? Que signifient malléabilité et ductilité d'un métal ? Que sont les traitements thermiques ? Que sont les traitements de surface ? Définissez la sidérurgie et ses objectifs. A l'aide du schéma, commentez le diagramme Fer-Carbone. Que peut-on en retirer ? Quelles sont les différentes formes d'alliages de fer et leurs propriétés ?


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Y-a-t-il d'autres espèces d'alliages ferreux que ceux caractérisés par le diagramme Fe-C ? Comment extrait-on le fer de son minerai et de quel minerai ? Que signifie l’agglomération en métallurgie ? Qu’est-ce que l’enrichissement d’un minerai ? Soit un minerai contenant du Fe2O3 mélangé à de la silice (SiO2) et à de l'alumine (Al2O3). Sachant que ces deux derniers sont en quantités équimolaires et que le minerai contient 50% de Fe, quelles sont les proportions en % massique et en % molaire de chacun des trois composés chimiques du minerai ? Quelles sont les matières premières pour la fabrication de l'alliage ferreux ? Décrivez le réacteur de fabrication de la fonte. Quelles sont les réactions qui ont lieu dans le haut-fourneau ? Pourquoi chauffe-t-on l'air jusqu'à 1000 C ? Qu'est-ce que la réduction indirecte et la réduction directe, quelle est la plus économique ? Quels sont les produits sortant d'un haut-fourneau ? Quels sont les éléments que l'on peut trouver dans le laitier ? Peut-on envisager de récupérer de l'énergie dans la fabrication de la fonte et comment ? Quel est le constituant principal des gaz sortant du gueulard ? Quelles sont les dimensions d'un haut-fourneau et comment est-il constitué ? Pourquoi un haut-fourneau est-il constitué d'acier ? Pourquoi le haut-fourneau s'élargit-il, puis se rétrécit-il ? Pourquoi place-t-on le haut-fourneau verticalement ? Quelles sont les quantités de matières premières à mettre en oeuvre pour fabriquer 10000 T j-1 de fonte contenant 95% de fer à partir d'un minerai contenant des quantités équimolaires de Fe2O3, Fe3O4, SiO2 et Al2O3. Avec les informations données dans les notes, calculez aussi les quantités de coke et d'air nécessaires.


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Comment se déroule la fabrication de l'acier ? Quels sont les éléments à éliminer pour obtenir de l'acier ? Qu'est-ce que l'affinage de la fonte, de l'acier ? Qu'est-ce que la marche acide ou basique ? Dans l'affinage de la fonte, n'est-ce pas un inconvénient pour le fer d'utiliser de l'oxygène ? Quelles sont les étapes ultimes d'un procédé métallurgique ? Faites le schéma d'un procédé métallurgique ? Qu'est-ce qu'un acier allié, que peut-il contenir comme éléments ? Qu'est-ce que la métallurgie des non ferreux, est-elle basée sur les mêmes principes que celle des ferreux ? Pourquoi utilise-t-on des autres métaux que le fer ? Que signifient métallurgie sèche et métallurgie humide ? Quels sont les principaux métaux non ferreux industriels ? Quelles sont les différences entre les métallurgies des non ferreux et celle du fer ? Citez deux métaux (ou plus) qui ont la même métallurgie que le fer. Qu’est-ce qu’un procédé d’aluminothermie ? Qu'est-ce que la carbochloration ? Quelle est la particularité de la métallurgie de l'aluminium ? Peut-on envisager de faire de l'aluminium par pyrométallurgie ? Comment envisage-t-on la métallurgie du cuivre ? Quels sont les domaines d'application du cuivre ? Comment se déroule la métallurgie du titane ? Quelle est la particularité de la métallurgie du zinc ? Quelle est la particularité de la métallurgie du plomb ?


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Citez quelques alliages de métaux non-ferreux et leurs applications. Citez quelques métaux modernes et pourquoi sont-ils modernes ? Quel est le vecteur chimique de l'industrie métallurgique ? Citez quelques méthodes d'extractions de métaux non ferreux. Citez des métaux d'importance industrielle moindre que le fer, le zinc, le plomb, l'aluminium ou le cuivre. Quelles sont leurs applications ? Quelle est l'importance économique du fer par rapport aux autres métaux ? Quel est l'avenir de la métallurgie ? Est-ce que la structure de l'industrielle métallurgique est différente de celle des autres industries chimiques, expliquez ? "It's better late than never." Unknown cracker


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7. Thèmes du chapitre Généralités sur le métal et ses propriétés 1 Etapes du procédé métallurgique 2 Sidérurgie matières premières, produits 3 le réacteur haut-fourneau 4 réactions dans le haut-fourneau 5 Sidérurgie Affinage de la fonte 6 Procédé sidérurgique complet schéma et discussion 7 Métallurgie des non ferreux généralités, exemples 8 Métallurgie de l'aluminium 9 Métallurgie du cuivre 10 Métallurgie du titane 11 Métallurgie du zinc 12 Métallurgie du plomb 13 Structure et avenir de la métallurgie 14 Description d'un procédé quelconque de la littérature 15


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8. Index

A acier,14

affinage,30 allié,16,35 chrome,38 manganèse,41 nickel,42 nitruration,13 ordinaire,16,30 production,14,36 réacteur,32 soufre,26 teneur,16 traitement,12 tungstène,44 uranium,45 vanadium,45 zinc,56

affinage,6 agglomération,10,25 air,1,59

affinage,31 oxydant,20 pollution,19 procédé d'affinage,32 vent,22

alcalino-terreux,7 alcalins,7 alliage,3,58

addition,11 aluminium,49 cuivre,52 fer,14 fer-carbone,15 plomb,57 propriétés,5 titane,54 zinc,56

alpax,50 alumine,47

fusion,48 gangue,19 laitier,28

aluminium,47 chrome,38 prix,36 réducteur,7

aluminothermie chrome,38 vanadium,45

antimoine,37 argent,37

métal précieux,36 austénite,16

B bauxite,47 blende,55 blister,51

bronze,52 broyage,10

C cadmium,37 calcium,38

réducteur,8 carbochloration

titane,53 zirconium,45

carbonate minerai,7 traitement,10

carbone acier,12,31 affinage,30 anode,49 fonte,22,27 graphite,49 réducteur,7 réduction directe,23 teneur,15

carbure aluminium,50

cémentation,13,26 cémentite,16,27 charbon,1,10,59

coke,19 chaux

déphosphoration,32 désulfuration,32 fonte,26 laitier,28 silicate,8

chlorure germanium,40 minerai,8 sodium,44 titane,53 zirconium,45

chromage,13 chrome,38

acier allié,35 cobalt,39 coke

combustible,10,19 énergie,7 obtention,19 plomb,57 zinc,55

concassage,10 convertisseur,32 corindon,39,47 corrosion

aluminium,47 cuivre,50 hafnium,40 non ferreux,36 résistance,5 titane,35,54 zinc,56


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zirconium,45 COWPER,20 creuset

aluminium,49 haut-fourneau,22 titane,54 zone,27

cryolithe,48 cuivre,50

aluminium,49 enrichissement,10 fusion,7 prix,36

cupro-nickel,52 cuve

acier,32 haut-fourneau,22

D désulfuration

affinage,31 fonte,30

diagramme fer-carbone,15 solide-liquide,3

duralumin,49

E eau,1,59

gaz à l'eau,25 haut-fourneau,21 lavage,10

électrométallurgie aluminium,48 calcium,38 cuivre,52 définition,8 voie humide,8 zinc,55

énergie aluminium,48 COWPER,20 électrométallurgie,8 métallurgie,2 réaction,6

enrichissement,10 cuivre,51

étain,39 cuivre,52

étalage,29 haut-fourneau,22

étamage,13,39 extraction

aluminium,48 cuivre,51 fer,17 métal,6,36 procédé,7 traitement,7

F fer,14

acier,35

allotropie,4 extraction,17 fonte,22,27 industrie,59 minerai,18 teneur,15 utilisation,36 zinc,55

fer α définition,4 ferrite,16

fer δ anomite,16 définition,4

fer γ austénite,16 définition,4

ferrite,16 fondant,19

cryolithe,48 laitier,28

fonte,27 affinage,30 blanche,17,28 creuset,22 élaboration,18 grise,17,28 haut-fourneau,22 production,14 production journalière,18 produit,17 propriétés,28 teneur,16 utilisation,28

G galvanisation,13

zinc,56 gangue,7

fer,18 fondant,19 séparation,10

germanium,40 graphite

fonte,17,27 grillage

plomb,57 sulfure,8

gueulard,28 haut-fourneau,22

H hafnium,40 haut-fourneau

COWPER,20 dimension,29 entrées-sorties,17 plomb,57 réacteur,22

hématite,18 hydrogène

gaz à l'eau,25 gaz de haut-fourneau,28 germanium,40


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réducteur,7 tungstène,44

I industrie

métallurgique,1,58

J jaune

métal,43

K kayem,56

L laitier,19

creuset,22 définition,28

laiton,52 laminage,11,33 lédéburite,16 liaison métallique,5 limonite,18 lithium,40

M magnésiothermie

uranium,45 zirconium,45

magnésium,41 hafnium,40 réducteur,8 titane,53 uranium,45 zirconium,45

magnétite,18 maillechort,52 manganèse,41

acier,31 acier allié,35 fer,18 fonte,26,28

marche acide,32 marche basique,32 matières premières,1,59

fer,36 réacteur,10

matte,51 mélangeur,30 mercure,42 métal

allotropie,4 définition,2 minerai,6 prix,36

métallurgie,58 chimique,2,5 étude,1 extractive,2 non ferreux,5,36 procédé sidérurgique,33

transformation,2 métallurgie par voie humide Voir électrométallurgie métallurgie par voie sèche Voir pyrométallurgie métaux

de transition,7 natifs,7 nobles,7

minerai,1,36,59 fer,18 métal,6 traitement,9

molybdène acier allié,35

monoxyde de carbone gaz de haut-fourneau,28 réducteur,7,23 zone de combustion,27

N nickel,42

acier allié,35 aluminium,50

nickelage,13,42 nitruration,13

O or,6,43

complexométrie,7 métal précieux,36

oxyde aluminium,47 cuivre,51 fer,18 minerai,7 plomb,57 traitement,10 zinc,55

oxygène acier,31 affinage,31 oxydant,20 oxydes de métaux,7 procédé d'affinage,32

P passivation,53 perlite,16 phosphates,8 phosphore

acier,31 fonte,26,28

platine,43 métal précieux,36

plomb,56 enrichissement,10 utilisation,57

potassium,43 pyrométallurgie

antimoine,37 cadmium,37 chrome,38 cobalt,39 cuivre,51


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définition,8 étain,39 fer,17 magnésium,41 manganèse,41 nickel,42 plomb,57 tungstène,44 vanadium,45 voie sèche,9 zinc,55

Q qualité

fonte,19 or,43 plomb,57 sauvegarde,59

quantité addition,11 alliage,4 involontaire,16 matières premières,1 métal,6

quartz or,43

R recuit,12 recyclage

aluminium,47 cuivre,51 métal,59 plomb,57

réducteur alcalin,7 commun,7 fer,37 métal,6 monoxyde de carbone,23

revenu,12

S sidérose,18 sidérurgie,5,14 silicate

minerai,8 silice

fonte,26 gangue,19 laitier,28 marche acide,32

silicium acier,31 acier allié,35 aluminium,50 chrome,38 fonte,28 réducteur,7

sodium,44 réducteur,8 titane,53

soufre acier,31 cuivre,51 fer,18 fonte,26,28 impureté,19 sulfures de métaux,7

sous-produit antimoine,37 argent,37

sulfate minerai,7,18 traitement,10

sulfure cuivre,51 minerai,8 traitement,10

T titane,53

acier allié,35 traitement

surface,12 thermique,11

trempe,12 aluminium,50

trempe superficielle,12 tungstène,44

acier allié,35

U uranium,44

V vanadium,45

acier allié,35 vent,20 ventre

haut-fourneau,22

W wustite,18

Y yttrium,50

Z zamak,56 zinc,55

cuivre,52 enrichissement,10

zincage,13,56 zircaloy,45 zircomag,45 zirconium,45

hafnium,40 zones réactionnelles,23

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Chind Meta