sidérurgie

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Présentation

sidérurgie, technologie relative à la production du fer, de la fonte et de l’acier. On désigne en fait sous le nom « fer » un alliage constitué en majeure partie de cet élément ; l’acier est un alliage de fer et de carbone, contenant souvent d’autres corps simples. Les aciers peuvent renfermer de 0,04 à 1,8 p. 100 de carbone. Dans la fonte, la teneur de cet élément varie de 2 à 4 p. 100.

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Évolution des techniques

On ignore la date exacte à laquelle fut découverte la technique de fusion du minerai de fer. En Égypte, les archéologues ont trouvé des outils en fer qui datent d’environ 3000 av. J.-C. La technique de la trempe des armes en fer par traitement thermique était connue des Grecs dès 1000 av. J.-C.

Tous les alliages en fer produits jusqu’au XIV^e siècle seraient aujourd’hui classés parmi les fers, et non parmi les aciers. On les obtenait en chauffant une masse de minerai de fer et de charbon de bois dans une forge ou un four. Ce traitement réduisait le minerai à une masse spongieuse de fer métallique, renfermant des impuretés non-métalliques et des cendres de charbon de bois. Cette substance incandescente était enlevée du four, puis battue au moyen de lourds marteaux de forge pour en ôter les scories. Ensuite, on pouvait souder le fer. Préparé dans ces conditions, il contenait environ 3 p. 100 de particules de scories et 0,1 p. 100 d’autres impuretés. Les hommes apprirent à fabriquer de l’acier en chauffant du fer et du charbon de bois dans des caisses d’argile pendant plusieurs jours. Ce procédé permettait au fer d’absorber suffisamment de carbone pour se transformer en acier véritable.

À partir du XIV^e siècle, les fours de fusion s’agrandirent. En outre, on employa une ventilation plus importante pour ajouter les gaz de combustion à la « charge » (mélange de matières premières). Dans ces fours, le minerai de fer contenu dans la partie supérieure était d’abord réduit en fer métallique, puis s’associait au carbone issu des gaz introduits par l’air soufflé. On obtenait ainsi de la fonte brute ou de la fonte malléable. La fonte brute (appelée ainsi car elle était généralement fondue en lingots) était ensuite affinée pour préparer l’acier.

Aujourd’hui, on fabrique la fonte dans des hauts-fourneaux, qui sont en fait des modèles perfectionnés de ceux utilisés depuis le XIV^e siècle. Depuis les années soixante, des usines de taille réduite produisent de l’acier à partir de la fonte brute dans des fours électriques.

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Production de fonte brute

3.1

Préparation

La fonte, découverte au XIII^e siècle, n’est utilisée que depuis le XV^e siècle. On la prépare dans un haut-fourneau. Les matières premières sont le minerai de fer, associé à un fondant, le coke métallurgique et le calcaire. Le coke est brûlé pour chauffer le four. Au fur et à mesure qu’il se calcine, il dégage du monoxyde de carbone, qui s’allie aux oxydes de fer dans le minerai, les réduisant en fer métallique. Cette réaction chimique de base a pour bilan :

Fe₂O₃ + 3CO → 3CO₂ + 2Fe

Dans le four, le calcaire est utilisé comme source supplémentaire de monoxyde de carbone. En outre, il se combine à la silice infusible présente dans le minerai pour former du silicate de calcium fusible. Sans le calcaire, il se formerait du silicate de fer, diminuant ainsi la quantité de fer. Le silicate de calcium et d’autres impuretés forment un laitier, qui flotte sur le métal fondu présent dans le fourneau. La fonte brute dans les hauts-fourneaux a généralement la composition suivante en poids : elle contient environ 92 p. 100 de fer, 3 ou 4 p. 100 de carbone, de 0,5 à 3 p. 100 de silicium, de 0,25 à 2,5 p. 100 de manganèse, de 0,04 à 2 p. 100 de phosphore et du soufre à l’état de traces.

3.2

Haut-fourneau

Un haut-fourneau est constitué d’une coque d’acier cylindrique doublée d’un matériau ignifuge, comme de la brique réfractaire. La coque est effilée sur le dessus et au fond. Son diamètre le plus large se situe environ au quart de sa longueur en partant du fond. La partie inférieure du four, appelée étalage, est équipée de plusieurs ouvertures tubulaires (tuyères) permettant la ventilation. Dans l’étalage est percé un orifice, le trou de coulée, à travers lequel coule la fonte fondue. Au-dessus de ce trou, sous les tuyères, un autre orifice sert à évacuer le laitier. Le sommet du fourneau, à environ 27 m de hauteur, est doté de voies d’aération pour les gaz d’échappement. Il est également muni de deux trémies rondes (sortes de réservoirs) fermées par des vannes, par lesquelles la charge est introduite dans le fourneau. Les matériaux sont amenés dans les trémies, dans de petits wagonnets ou des bennes, que l’on hisse sur un monte-charge extérieur incliné.

Les hauts-fourneaux fonctionnent en continu. La matière première est divisée en un certain nombre de petites charges introduites toutes les dix à quinze minutes. Le laitier est retiré du haut de la masse en fusion toutes les deux heures ; le fer est évacué environ cinq fois par jour.

L’air de ventilation est préchauffé à des températures variant entre 540 °C et 870 °C. Son poids est supérieur au poids total des autres matières premières employées.