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Le fer est un élément chimique courant dans la vie quotidienne mais que sait-on réellement de lui ? Partez à la découverte de ce fabuleux métal aux propriétés étonnantes.
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Le fer est un élément chimique courant dans la vie quotidienne mais que sait-on réellement de lui ? Partez à la découverte de ce fabuleux métal aux propriétés étonnantes.
Au XIVe siècle, les hauts fourneaux mesurent quelques mètres de haut (5 à 7 en général) et on utilise encore du charbon de bois et non du coke. Puis la chimie s'en est mêlée... Découvrez le fonctionnement d'un haut fourneau.
On a, en France, de très beaux sites de hauts fourneaux, classés monuments historiques au titre de la protection du patrimoine industriel, qui constitue une partie importante de l'histoire du pays.
Voici deux exemples choisis ici :
En 1722, Réaumur a l'idée de fabriquer du fer malléable à partir de la fonte en oxydant la fonte blanche cassante pour en enlever le carbone avec de la craie ou de la chaux. Cette idée sera appliquée beaucoup plus tard de manière industrielle avec le procédé Thomas.
Au XVIIIe siècle, une série de savants se penchent sur la question parmi lesquels Lavoisier, Bergman, Berthelot, Monge : on cherche à comprendre l'alliage fer-carbone.
En 1783, Cort et Onions découvrent la technique du puddlage. On y utilise un four à réverbère qui évite complètement le contact entre le fer et le carbone (métal-combustible). Ce sera, pendant plus de la moitié du XIXe, la seule méthode utilisée pour obtenir du fer malléable (voir la page réalisations). C'était aussi, sans le savoir ni l'expliquer, la seule façon d'éviter les oxydes de phosphore stables aux températures de l'époque et nuisibles.... Ce procédé est complètement abandonné.
1850 voit le début de la métallurgie « moderne » avec, en Angleterre, Darby qui remplace le charbon de bois par de la houille dans les haut-fourneaux de l'époque.
Dès lors, on entre dans un processus tout à fait industriel avec des hauts fourneaux qui vont atteindre jusqu'à 80 m de haut, 5.000 mètres cube, des températures de 1.600 degrés et des productions en continu jusqu'à 10.000 tonnes par jour...
Les procédés évoluent, la coulée se fait en continu et la fonte passe directement en laminoir, lesquels prennent des proportions gigantesques avec par exemple plus de 500 m de long pour le laminoir de Dunkerque (Arcelor-Usinor). Un haut fourneau ne s'arrête jamais pendant les dix ans de son existence...
Dans un haut fourneau, on obtient des fontes de première fusion : c'est la fonte de base qui est obtenue directement par le traitement du minerai. Une fonte est un alliage métallique dont l'élément essentiel est le fer, et dont la teneur en carbone est supérieure à 2 %.
Le déroulement des opérations est le suivant :
Les sulfures et les carbonates sont transformés en oxydes par grillage. Les oxydes peuvent, si nécessaire, être enrichis par broyage et par flottation. Ils sont ensuite conditionnés par agglutination, sous forme d'éléments calibrés, avec incorporation éventuelle d'une quantité variable de carbone, sous forme de poussière de coke ou de charbon pulvérulent. La quasi-totalité du minerai de fer est actuellement traitée dans des hauts fourneaux, tours creuses faites en matériaux réfractaires, dans lesquels il est chargé par couches alternées avec du coke. Dans les hauts fourneaux traditionnels, on injecte à la base de l'air permettant de faire brûler le coke dans une atmosphère réductrice, produisant du monoxyde de carbone, gaz qui réduit l'oxyde de fer en fer naissant liquide. Ce fer ruisselle sur le coke et se charge en carbone pour produire un alliage fer-carbone, appelé fonte. La fonte s'accumule à la base du haut fourneau dans un creuset d'où elle est régulièrement prélevée. Le bain de fonte est surmonté d'une couche liquide, le laitier (composé de silicates et d'aluminate de chaux), qui est soutiré séparément.
Bilan de matière pour une tonne de fonte. (Note : 1.000 Nm3 à 1.200 degrés C = 1,3 tonne air/tonne de fonte.)
Entrées | Sorties | ||
aggloméré | 1500 kg/tf | fonte | 9000 tf/j |
minerai rocheux | 150 kg/tf | laitier | 330 kg/tf |
coke | 295 kg/tf | gaz gueulard | 1480 Nm3/tf |
charbon | 180 kg/tf | poussières | 10 kg/tf |
vent chaud | 970 Nm3/tf | --- | --- |
oxygène | 15 Nm3/tf | --- | --- |
Aggloméré | Fe 58 % | SiO2 5,7 % | CaO 10 % | MgO 1,8 % | Al2O3 1 % | --- |
Coke | C 88 % | Mat.min 10 % | H20,3 % | --- | --- | --- |
Fonte1 | Fe 94,6 % | C 4,8 % | Si 0,3 | Mn 0,2 % | --- | --- |
Fonte2 type | Fe 94-95 % | C 4,5-5 % | Si 0,25-0,4 % | Mn 0,2-0,3 % | S 0,015 -0,04 % | P 0,08-0,09 % |
Laitier | Fe 0,2 % | CaO 42,5 % | SiO235,5 % | MgO 7,5 % | Al2 | --- |
Quelques fontes différentes parmi les plus connues :
Pour finir ce chapitre, voici, ci-dessus, un résumé du haut fourneau indiquant les principales étapes de la transformation et le contresens des deux courants de gaz et de minerai, ce qui constitue le principe de fonctionnement de cet appareil.