1ère PT4

Réalisé par: Denguir Lamice & Tej Houda & Ferjani Farouk

Elaboration des fontes et des aciers

Introduction Historique Elaboration des aciers et des f

ontes Bibliographie

Sommaire

Le fer est l'un des métaux les plus abondants de la croûte terrestre. On le trouve un peu partout combiné à de nombreux autres éléments, sous forme de minerais.

Depuis les temps les plus reculés, l'homme a utilisé les minéraux et les roches de la terre. En Europe, la fabrication du fer remonte vers 1700 avant J.C..

Introduction :

La technologie actuelle permet, à partir des minerais de fer d'obtenir du fer, de la fonte ou de l'acier. Il est habituel de classer les alliages de fer en fonction de leur teneur en carbone. Du fer pur à l'acier doux de 0 à 1,5%, l'acier de 1,5 à 3% et la fonte au-dessus de 3%.

Cette photo

représente des

clous en fer datés

d'à peu près 400

ans

*

>retour au sommaire

Historique :De l’âge de fer à l’ère d’acier

Depuis plus de 4 000 ans, les hommes “battent le fer”. Avec les siècles, les techniques sont devenues de plus en plus complexes et mieux maîtrisées. Voyage au fil du temps et des méthodes de production d’un matériau aujourd’hui omniprésent.

Historique: Sommaire:1. L’antiquité2. VIIe siècle avant JC – Ve siècle après JC3. Le moyen âge4. La Renaissance5. La révolution industrielle6. Le XXe siècle et aujourd’hui

>retour au sommaire

Au commencement était le fer… L’Antiquité La première apparition du fer sous sa forme la plus

primaire se situe entre 1650 et 1700 avant notre ère, chez les “Hittites” et les “Chalybes”, peuples d’Asie mineure, une région riche en mines de fer. Dans un trou à même le sol, paré de pierres qu’ils recouvraient de couches d’argile, ils chauffaient ensemble des couches alternées de minerai et de bois (ou de charbon de bois). On obtenait une masse de métal pâteuse qu’il fallait ensuite marteler à chaud pour la débarrasser de ses impuretés et obtenir ainsi du fer brut, prêt à être forgé. La forge était installée à quelques pas du foyer où se fabriquait le métal. D’abord simple trou conique dans le sol, le foyer se transforma en un four, le “bas fourneau”, perfectionné petit à petit.

1. (VIIe siècle avant J.-C. • Ve siècle après J.-C.)

Les Romains ont emprunté cette technique pour fondre divers métaux (or, cuivre, étain, fer et plomb). Les invasions barbares marquent un recul pour la métallurgie : beaucoup de mines sont abandonnées.

2. Le Moyen Âge (Ve siècle • XVe siècle)

La Renaissance carolingienne et l’émergence de la féodalité (IXe siècle) se caractérisent par un regain d’activité. Armes et armures des chevaliers, fers à cheval et nouveaux outils agricoles (exemple : la charrue) génèrent une forte demande de fer. Les forges de l’époque sont itinérantes car dépendantes des forêts pour le charbon de bois et du minerai superficiel, vite épuisé. Les activités minières connaissent leur véritable essor à la fin du XIIe siècle, sous l’impulsion des moines cisterciens, qui deviennent les premiers producteurs de fer. Dans toute l’Europe, chaque monastère possède une forge, située le long d’un cours d’eau et utilisant la force hydraulique pour actionner les marteaux et soufflets des forgerons, ainsi que pour pomper les eaux d’infiltration des galeries de mine.

… puis, vint la fonte… La Renaissance Le bas fourneau sera utilisé jusqu’au XIVe

siècle. Les forgerons vont lui préférer un fourneau au-dessus du sol. Les fourneaux sont plus hauts (4 à 6 mètres de haut) et leur tirage devient plus puissant. La température s’élève et nouveau métal : la fonte. Cette découverte majeure va permettre, dès le XVe siècle, la fabrication de toutes sortes d’objets (marmites, boulets de canons, épées…).

… et enfin l’acier La révolution industrielle (XVIIIe siècle • XIXe siècle) Grâce à ses réserves en fer, en charbon et à ses cours d’eau,

l’Angleterre devient, au XIXe siècle, une “puissance du fer”. La transformation du charbon en coke permet d’obtenir une fonte de bonne qualité. Peu à peu, l’Angleterre se dote d’un complexe sidérurgique riche de 8 hauts fourneaux et 9 forges. Le procédé gagne le continent. En 1785, la première coulée industrielle de fonte au coke est réalisée en France grâce à Berthollet, Monge et Vandermonde, trois savants français qui établirent la définition exacte du trio Fer- Fonte-Acier et le rôle du carbone dans l’élaboration du métal. Grâce à la technique du laminage, il n’est plus nécessaire de marteler la fonte. Une série d’objets métalliques fait son apparition dans l’industrie (rails, pièces de machines à vapeur), dans la construction (ponts, navires, gares) et dans la vie quotidienne (lits et même corsets féminins). Un nouveau bond technologique est franchi en 1860, quand l’anglais Henry Bessemer met au point le convertisseur qui élimine le carbone excédentaire de la fonte en fusion en y insufflant de l’air sous pression. Peu à peu, la qualité de l’acier s’améliore et sa fabrication connait un développement spectaculaire. L’acier s’impose rapidement comme le métal roi de la révolution industrielle dont la Tour Eiffel reste le symbole glorieux.

Le XXe siècle et aujourd’hui Le chemin de fer se généralise dans toute l’Europe et

aux Etats-Unis. Les rails et les locomotives sont en acier. La voiture apparaît et se perfectionne de jour en jour. L’acier est partout dans la construction. Aujourd’hui, on ne peut plus vivre sans acier. Il s’est définitivement imposé sous toutes ses formes. Au début du XXe siècle, la production mondiale d’acier atteint 28 millions de tonnes, soit six fois plus qu’en 1880. Et à la veille de la première guerre mondiale, elle grimpe à 85 millions de tonnes, pour atteindre aujourd’hui, le milliard de tonnes ! La sidérurgie entre dans une nouvelle phase d’avancées techniques spectaculaires qui permettent la production d’un acier de qualité, sophistiqué (haute élasticité, inoxydable…) et de plus en plus fin.

>retour au sommaire

Elaboration de

l’acier et des fontes

Elaboration des aciers et des fontes: Sommaire:

La fonte

1. Par la filière fonte

2. (Cokerie)

3. Haut fourneau

4. (utilisations)

L’acier

Elaboration

Affinage liquide

1. Affinage au convertisseurs Bessmer et Thomas

2. Affinage au four Martin

3. Affinage au four électrique

Affinage solide

(produits secondaires)

(Depoussiérage de halles de coulée)

Convertisseur à Oxygène

Métallurgie en poche

Mise à nuance

Mise à température

Coulée

1. Coulée continue

2. Coulée en lingots

Le passage des demi produits au produits finis

1. Laminage à chaud

2. Laminage à froid

3. Revêtement >retour au sommaire

La fonte 

Processus d'élaboration : Ce métal est obtenu à partir de matières

premières naturelles qui sont les minerai de fer. Ces minerais sont un mélange naturel :

d'oxydes de fer :magnétite Fe3O4,

hématite Fe2O3,

hématite brune 2 Fe2O3, 3 H2O,

Sidérose FeCO3 .la gangue : partie minérale sous forme de silice,

d'alumine, de calcaire, ...etc.

Le minerai de fer possède des propriétés chimiques et physiques incompatibles qui le rendent inexploitable en l'état par le haut-fourneau. Il lui manque en particulier:

la résistance mécanique nécessaire pour supporter l'écrasement dû à l'empilage des matières dans le haut-fourneau

la porosité permettant la circulation du vent des tuyères vers le gueulard

la composition chimique en oxydes, pour maîtriser le laitier

Les minerais sont préparés par broyage et calibration en grains qui s'agglomèrent entre eux. Le mélange obtenu est cuit sous une hotte à 1300°C. L’aggloméré obtenu est ensuite concassé et calibré puis, chargé dans le haut-fourneau avec du coke.

Il y a deux façons de fabriquer de l’acier liquide : Par la filière fonte Le minerai de fer est préparé, broyé et calibré en

morceaux qui s’agglomèrent (ou s’agglutinent) entre eux. Le minerai obtenu est concassé puis chargé dans un haut fourneau avec du coke – charbon cuit à une température de 1 200° C – qui sert de combustible. L’air chaud (1 200° C) insufflé à la base du haut fourneau provoque la combustion du coke. Par réaction chimique, les matières sont complètement modifiées. En effet, en brûlant, le coke apporte la chaleur nécessaire à la fusion du minerai et se transforme lui-même en oxyde de carbone. Cet oxyde de carbone va “réduire” les oxydes de fer, c’est-à-dire leur prendre leur oxygène et, de ce fait, libérer le fer du minerai.

Ainsi, à la sortie du haut fourneau, le fer est récupéré sous la forme d’un liquide : la fonte (le métal en fusion) sortant à une température de 1 400° C. On récupère également du laitier, un produit secondaire utilisé notamment pour la construction des routes.

((Cokerie De façon simplifiée, le coke est du carbone

presque pur doté d'une structure poreuse et résistante à l'écrasement. Il est utilisé comme un puissant réducteur dans les hauts-fourneaux. Il est obtenu par distillation (gazéification des composants indésirables) de la houille. Pour cela on l'a fait cuire, à l'abri de l'air, dans les fours de la cokerie à 1250°C durant 17 heures. En brûlant dans le haut-fourneau, le coke apporte la chaleur nécessaire à la fusion du minerai et le carbone nécessaire à sa réduction.))

La fonte est acheminée vers l’aciérie dans des wagons thermos qui maintiennent sa température. Elle est introduite dans un convertisseur à oxygène pour être transformée en acier. Il s’agit d’une énorme cuve où la fonte est mélangée avec de l’acier usagé (ferrailles). En insufflant de l’oxygène pur, les éléments indésirables (carbone et résidus) contenus dans la fonte sont brûlés. On obtient alors du fer presque pur et liquide dit “acier sauvage” car, à ce stade, il est encore imparfait.

L'élaboration

de la fonte se

fait dans le

haut-

Fourneau, la

charge

introduite

dans le

gueulard se

compose de

minerai de

fer, de coke

métallurgiqu

e et d'un

fondant.

Sous l'action de leur

propre poids, ils

descendent peu à peu en

se réchauffant jusqu'à la

fusion. Le métal fondu

composé de la fonte et

du laitier s’écoule dans

le creuset. Par suite

d'une différence sensible

entre les masses

spécifiques de la fonte et

du laitier; ce dernier

s'accumule à la surface

de la fonte, il est évacué

à travers le trou de

coulée du laitier situé

plus haut que celui de la

fonte.

Haut fourneau

Intérieur octogonal du haut fourneau

La fonte du haut-fourneau est divisée suivant la destination en trois groupes :

Fonte d'affinage, Fonte de moulage, Alliage ferrométallique.

Plus de 80% de la production totale est composée de la fonte blanche d'affinage, essentiellement employée pour la fabrication de l'acier (le fer est à l'état de Cémentite Fe3C). La fonte de moulage grise est employée pour l'obtention des coulées façonnées.

Les alliages ferro-métalliques et la fonte de moulage constituent près de 20%. Les alliages contiennent beaucoup de silicium et de manganèse.

((Utilisations : Le laitier de haut-fourneau est une matière

très utilisée dans l'industrie des M.D.C. : liants, pierres artificielles, matériaux d'isolation thermique (pierre ponce de laitier, laine de laitier). Le gaz du gueulard de haut-fourneau est employé en qualité de combustible pour l'usine métallurgique. La fonte grise trouve essentiellement son emploi dans la construction, spécialement pour la fabrication des pièce travaillant à la compression (gabots, poteaux); ainsi que pour les produits sanitaires (tubes, radiateurs de chauffage). Les alliages ferro-métalliques sont utilisés comme additions dans la production de l'acier pour améliorer sa qualité.))

L’acier L'acier s'élabore actuellement de

deux manières :Dans un haut-fourneau, à partir du

minerai de fer et de coke avec réduction du carbone dans un convertisseur ;

Dans un four électrique, à partir d'acier de récupération. On parle d'acier de recyclage ou d'acier électrique.

Elaboration :

L'acier (% C < 1,8) est obtenu en décarburant la fonte , et éliminant le plus possible le souffre et le phosphore tout en modifiant la teneur des autres éléments (Si, Mn).

Les procédés pratiques d'élaboration de l'acier sont :

• l'affinage liquide, qui fournit la quasi-totalité de l'acier employé, le métal restant liquide à la fin de l'opération,

• l'affinage solide, qui donne un produit à l'état pâteux à la fin de l'opération.

1. Affinage liquide :Affinage par l'air aux convertisseurs

Bessmer et Thomas. La fonte liquide arrivant du mélangeur

est versée dans le convertisseur, à travers lequel on souffle un intense courant d'air qui brûle les impuretés de la fonte. Cette combustion dégage en même temps la chaleur nécessaire pour élever la température du bain depuis celle de la fonte en fusion (1200 °C) jusqu'à celle de l'acier (1600 °C).

Le convertisseur Thomas diffère de Bessmer par son revêtement réfractaire, qui est basique (chaux) au lieu d'être acide comme dans le Bessmer (silice). Le procédé acide ou Bessmer, permet de traiter les fontes non phosphoreuses riches en silice (1,5 à 2%). Le procédé basique ou Thomas, permet de traiter les fontes phosphoreuses (1,7 à 2%) avec peu de silice (0,4 à 0,6%). La durée du traitement varie entre 15 et 30 minutes.

Affinage au four Martin.

Dans le four Martin acide, l'affinage porte uniquement sur le carbone, le silicium et le magnésium; le Souffre et le phosphore restant intacts. En revanche, dans le four Martin basique, l'affinage peut aussi porter sur ces deux derniers éléments.

En qualité de combustible, on utilise le gaz et parfois les déchets de fer et d'acier. La durée de fusion est de 4 à 8 heures. Pendant ce temps, on prend systématiquement des échantillons pour analyse chimique.

Quand on obtient la composition requise de l'acier, le métal est déchargé dans la poche à coulée et delà dans les lingotières.

Par la filière électrique On peut également produire de l’acier liquide

à partir de ferrailles usagées provenant des emballages jetés, des bâtiments démolis, des machines et véhicules démontés, des chutes de fonte ou d’acier récupérées dans la sidérurgie. Un “panier à ferrailles”, chargé à l’aide d’un aimant, achemine cette matière première jusqu’à un four. La ferraille fond grâce à des arcs électriques puissants. On obtient alors de l’acier liquide. Il peut avoir différentes caractéristiques en termes de résistance, d’élasticité, de malléabilité. Il peut aussi être inoxydable ou insensible aux températures extrêmes.

Ce procédé utilise à côté de la fonte liquide, des déchets de métallurgie appelés riblons.

Affinage au four Electrique:

Ce procédé permet d'obtenir un affinage très poussé du métal, il est réservé à l'élaboration d'acier de qualité. Le chauffage est assuré par un arc électrique jaillissant entre des électrodes de carbone et les matières placées dans le four.

Affinage solide : Capables de fournir des fers à teneur en

souffre et phosphore très basse et inférieures à tout ce que l'on peut obtenir par les procédés d'affinage liquide.

Dans ce procédé, le combustible (charbon de bois) est en contact direct avec la fonte. L'affinage est réalisée par oxydation des impuretés nuisibles de la fonte, les faisant passer dans le laitier. Lorsque l'opération est terminée, on retire du four des loupes spongieuses de métal contenant de nombreuses scories. Ces loupes sont singlées pour éliminer le maximum de scories.

((Produits secondaires A côté du coke, des produits gazeux et

liquides naissent de la désagrégation thermique du charbon. Hormis le gaz de cokerie qui est utilisé comme porteur d'énergie au sein des aciéries et des centrales électriques de RWE, goudron brut de houille, benzol brut, phénol brut et acides sulfuriques sont aussi à nommer.))

((Dépoussièrage de halles de coulée Les gaz produits lors du débouchage des

hauts fourneaux dans les halles de coulée sont aspirés et purifiés par des installations de dépoussiérage ))

• Convertisseur à l'Oxygène Cet outil assure la conversion de la fonte en

acier. La fonte en fusion est versée sur un lit de ferraille. On brûle les éléments indésirables (carbone et résidus) contenus dans la fonte en insufflant de l'oxygène pur. On récupère les résidus (laitier d'aciérie). On obtient de l'acier liquide sauvage, qui est versé dans une poche. Il est appelé acier sauvage, car, à ce stade, il est encore imparfait.

La fonte est affinée par insufflation d'oxygène dans deux convertisseurs de 185 t, ce qui permet de brûler les constituants indésirables tels que le carbone, le silicium etc. Le résultat de cette conversion est la transformation de la fonte en acier brut. Pour abaisser la température inhérente au procédé, on ajoute environ 25 % de ferrailles. Les riblons d'acier, notamment, trouvent ainsi une nouvelle utilisation économique. Pour la déphosphoration dans le convertisseur, on utilise de la chaux éteinte. Les scories récupérées lors de la conversion peuvent être utilisées pour diverses applications. Pendant la conversion, il se produit déjà un alliage sommaire de l'acier brut.

Métallurgie en Poche Le rôle de la métallurgie en poche consiste à

mettre à nuance et à température l'acier liquide issu du convertisseur.

L'affinage de l'acier se fait dans une installation de dégazage à réservoir sous vide, via un décrassage intensif, un rinçage homogénéisant et un alliage fin de l'acier. Sur le plan métallurgique, ce traitement permet d'obtenir les plus basses teneurs en soufre, d'éliminer l'hydrogène, de réduire et/ou d'allier l'azote, de réduire au minimum les teneurs en carbone, d'obtenir un excellent degré de pureté non métallique ainsi qu'un réglage précis de la température du bain pour optimiser le processus de coulée qui suit.

• Mise à nuance

Elle comporte plusieurs étapes, toutes facultatives, et dont l'ordre

peut changer:

le calmage de l'acier sauvage qui va consommer l'oxygène dissous

dans l'acier. Pour cela, on jette dans l'acier liquide de l'aluminium (pour

les produits plats) ou du silicium (cas des produits longs) qui, en

s'oxydant, vont transformer l'oxygène dissous en oxydes.

le dégazage: l'acier va passer par un passage sous vide destiné à

parfaire la décarburation entamée au convertisseur (dans ce cas-ci, il

est nécessaire de conserver, au préalable, un minimum d'oxygène

dissous), la déshydrogénation ou parfois encore la dénitruration.

l'ajustement du laitier de poche, de manière à ce qu'il ait la capacité

d'absorber les impuretés comme les oxydes produits par le calmage.

l'affinage qui va ôter les derniers éléments indésirables, comme le

phosphore ou le soufre.

l'ajout des éléments d'alliages.

Mise à température La coulée continue demande typiquement

des température d'acier d'environ 30°C au dessus du liquidus de l'alliage. Les moyens de réchauffage sont, soit le four électrique à poches, soit un procédé chimique comme l'aluminothermie. Il est également possible de travailler tout le temps très chaud, pour ne refroidir à la bonne température qu'au dernier moment.

Coulée

Coulée continue L'acier liquide est coulé dans une lingotière en cuivre

de section carrée, rectangulaire ou ronde (selon le demi-produit fabriqué). L'acier liquide admet une température de l'ordre de 1500 °C.

Le métal commence à former une peau solide dans la lingotière violemment refroidie à l'eau et par rayonnement. L'acier est ensuite tiré vers le bas par un jeu de rouleaux et d'extracteur, il achève de se solidifier, grâce essentiellement à des jets pariétaux d'eau.

A cause du refroidissement intense, le métal subit une histoire thermomécanique, lors de son parcours dans la machine de coulée continue. En fonction de cet historique (influencé notamment par la vitesse de coulée, la forme de la machine, l'intensité du refroidissement), la qualité du produit est plus ou moins bonne et le constructeur (Arcelor, par exemple) pourra vendre plus ou moins cher le produit. Une telle machine existe sur plusieurs sites : à Fos-sur-Mer, à Dunkerque, à Châtelet etc.

La coulée en lingots La coulée peut être également faite en

lingotière. Ce procédé, peu performant en terme de mise au mille permet cependant l'obtention d'alliages spécifiques, comme les aciers non calmés.

L’acier est coulé et solidifié dans des moules en fontes : les lingotières.

Une fois la solidification terminée, les lingots sont démoulés.

Après un réchauffage à 1200°C, ils sont écrasés dans un gros laminoir pour être transformés en

• Brames, ébauches de produits plats (slabbing) , • Blooms, futurs produits longs (blooming).

Le passage des demi-produits aux produits finis

Ces brames d’acier ne sont pas encore exploitables en l’état. Il faut les retravailler pour obtenir les nuances et les épaisseurs nécessaires à la fabrication des produits finaux (appareils électroménagers, bâtiments, emballages…). Trois étapes sont alors nécessaires :

Le laminage à chaud La brame est réchauffée dans un four à 1

200° C pour rendre le métal plus malléable. Elle est ensuite amincie et étirée par écrasements progressifs entre les cylindres d’une machine appelée “laminoir”. La bande d’acier se transforme en bobines ou en plaques de 1,2 à 20 millimètres d’épaisseur. L’acier obtenu a alors une épaisseur 180 fois plus fine que celle de la brame de départ.

Le laminage à froid Les bobines subissent une deuxième réduction à

froid afin d’obtenir un produit aussi fin qu’une feuille de papier (jusqu’à 0,1 millimètre d’épaisseur).

Le revêtement Les bobines sont ensuite recouvertes d’un

revêtement anti-corrosion qui peut être en zinc (automobile, électroménager…) ou en étain (fer blanc pour les boîtes de conserve, canettes, aérosols…).

>retour au sommaire

Bibliographie :Wikipédia, l'encyclopédie libre.© HKM Hüttenwerke Krupp Mannesmann © 2005 AG der Dillinger HüttenwerkeLes élèves de troisième du collège de Gloas

Plat suivent la Route du Fer. Site réalisé par le CRDP Bretagne, Rennes

Dr. GHOMARI Fouad UNIVERSITE ABOUBEKR BELKAID FACULTE DES SCIENCES DE L’INGENIEUR DEPARTEMENT DE GENIE CIVIL

  >

retour au sommaire