Production de fer et d’acier

Production de fer et d'acier

Les métaux et les alliages ont de nombreuses propriétés techniques utiles et ont donc une application répandue dans les conceptions techniques. Le fer et ses alliages (principalement l’acier) représentent environ 90% de la production mondiale de métaux, principalement en raison de leur combinaison de bonne résistance, ténacité et ductilité à un coût relativement faible. Chaque métal a des propriétés spéciales pour les conceptions techniques et est utilisé après une analyse comparative des coûts avec d’autres métaux et matériaux. Voyons la production du fer et de l’acier.

Production de fer et d'acier

Les alliages à base de fer sont appelés alliages ferreux et ceux à base d’autres métaux sont appelés alliages non ferreux.

Voyons le traitement et la production de fer et d’acier.

Production de fonte brute dans un haut fourneau

La majeure partie du fer est extraite des minerais de fer dans de grands hauts fourneaux. Voici un exemple de schéma de haut fourneau.

Production de fer et d'acier
Schéma d’une opération de haut fourneau moderne

Dans le haut fourneau, le coke (charbon) agit comme agent réducteur pour réduire les oxydes de fer (principalement Fe2O3) pour produire de la fonte brute, qui contient environ 4 % de carbone ainsi que d’autres impuretés selon la réaction typique

Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

La fonte brute issue du haut fourneau est généralement transférée à l’état liquide dans un four d’aciérie.

Fabrication de l’acier et traitement des principales formes de produits en acier

Les aciers au carbone ordinaire sont essentiellement des alliages de fer et de carbone contenant jusqu’à environ 1,2 % de carbone. Cependant, la majorité de l’acier contient moins de 0,5 % de carbone. La plupart des aciers sont fabriqués en oxydant le carbone et d’autres impuretés dans la fonte brute jusqu’à ce que la teneur en carbone du fer soit réduite au niveau requis.

Le procédé le plus couramment utilisé pour convertir la fonte brute en acier est le procédé de base à l’oxygène. Dans ce processus, de la fonte brute et jusqu’à environ 30 % de ferraille d’acier sont chargés dans un convertisseur à revêtement réfractaire en forme de tonneau dans lequel une lance à oxygène est insérée, comme illustré dans la figure ci-dessous.

Fabrication de l'acier dans le four à oxygène basique
Fabrication de l’acier dans le four à oxygène basique

L’oxygène pur de la lance réagit avec le bain liquide pour former de l’oxyde de fer. Le carbone dans l’acier réagit alors avec l’oxyde de fer pour former du monoxyde de carbone :

FeO + C → Fe + CO

Immédiatement avant le début de la réaction d’oxygène, des flux formant des scories (principalement de la chaux) sont ajoutés en quantités contrôlées. Dans ce processus, la teneur en carbone de l’acier peut être considérablement abaissée d’environ 22 min avec une réduction de la concentration d’impuretés telles que le soufre et le phosphore.

Production de fer et d'acier
Représentation schématique de l’avancement de l’affinage dans une cuve à revêtement basique soufflé par le haut

L’acier fondu du convertisseur est soit coulé dans des moules fixes, soit coulé en continu en longues brames à partir desquelles de longues sections sont périodiquement coupées.

Aujourd’hui, environ 96% de l’acier est coulé en continu, avec environ 4000 lingots encore coulés individuellement. Cependant, environ la moitié de l’acier brut est produit en recyclant l’ancien acier, comme les voitures de rebut et les vieux appareils.

Après avoir été coulés, les lingots sont chauffés dans une fosse de trempage et laminés à chaud en brames, billettes ou blooms. Les brames sont ensuite laminées à chaud et à froid en tôles et tôles d’acier. Les billettes sont laminées à chaud et à froid en barres, tiges et fils, tandis que les blooms sont laminés à chaud et à froid en formes telles que des poutres en I.
et rails.

Voici un organigramme qui résume les principales étapes du processus impliquées dans la conversion des matières premières en principales formes de produits en acier.

Production de fer et d'acier
Diagramme de flux montrant les principales étapes du processus impliquées dans la conversion des matières premières en les principales formes de produits, à l’exclusion des produits enrobés

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Le système fer-carbone

Les alliages fer-carbone contenant d’une très petite quantité (environ 0,03%) à environ 1,2% de carbone, 0,25 à 1,00% de manganèse et des quantités mineures d’autres éléments sont appelés aciers au carbone ordinaire. Cependant, aux fins de cette section du livre, les aciers au carbone ordinaire seront traités essentiellement comme des alliages binaires fer-carbone. Les effets d’autres éléments dans l’acier seront traités dans des sections ultérieures.

Fer-fer-carbure (Fe–Fe3C) Diagramme de phase

Les phases présentes dans les alliages fer-carbone refroidis très lentement à différentes températures et compositions de fer contenant jusqu’à 6,67% de carbone sont indiquées dans le Fe – Fe3Diagramme de phase C illustré ci-dessous.

diagramme de phase fer-carbure de fer (Fe-Fe3C)
fer-fer-carbure (Fe-Fe3C) diagramme de phase

Ce diagramme de phase n’est pas un véritable diagramme d’équilibre puisque le composé carbure de fer (Fe3C) qui se forme n’est pas une véritable phase d’équilibre. Sous certaines conditions, Fe3Le C, appelé cémentite, peut se décomposer en phases plus stables de fer et de carbone (graphite). Cependant, pour la plupart des conditions pratiques, Fe3C est très stable et sera donc traité comme une phase d’équilibre.

Phases solides dans le Fe-Fe3Diagramme de phase C

Le Fe-Fe ci-dessus3Le diagramme de phase C contient les phases solides suivantes :

  1. ferrite α,
  2. austénite (γ),
  3. cémentite (Fe3C)
  4. ferrite δ

1. ferrite alpha : Cette phase est une solution solide interstitielle de carbone dans le réseau cristallin de fer BCC. Comme indiqué par le Fe-Fe3Diagramme de phase C, le carbone n’est que légèrement soluble dans la ferrite α, atteignant une solubilité solide maximale de 0,022 % à 727 °C. La solubilité du carbone dans la ferrite α diminue à 0,005 % à 0 °C.

2. Austénite (γ) : La solution solide interstitielle de carbone dans le fer γ est appelée austénite. L’austénite a une structure cristalline FCC et une solubilité solide beaucoup plus élevée pour le carbone que la ferrite α. La solubilité solide du carbone dans l’austénite est au maximum de 2,11% à 1148°C et diminue à 0,77% à 727°C.

3. Cémentite (Fe3C): Le composé intermétallique Fe3C est appelé cémentite. La cémentite a des limites de solubilité négligeables et une composition de 6,67 % C et 93,3 % Fe. La cémentite est un composé dur et cassant.

4. ferrite δ : La solution solide interstitielle de carbone dans le fer δ est appelée ferrite δ. Il a une structure cristalline BCC comme la ferrite α mais avec une constante de réseau plus grande. La solubilité solide maximale du carbone dans la ferrite δ est de 0,09 % à 1465 °C.

Réactions invariantes dans le Fe – Fe3Diagramme de phase C

Réaction péritectique

Au point de réaction péritectique, un liquide à 0,53 % C se combine avec de la ferrite δ à 0,09 % C pour former de l’austénite γ à 0,17 % C. Cette réaction, qui se produit à 1495 °C, peut s’écrire

Liquide (0.53% C) + δ(0.09% C) → γ (0.17% C) ….. @1495°C

δ La ferrite est une phase à haute température et n’est donc pas rencontrée dans les aciers au carbone ordinaire à des températures plus basses.

Réaction eutectique

Au point de réaction eutectique, un liquide à 4,3% forme une austénite γ à 2,11% C et le composé intermétallique Fe3C (cémentite), qui contient 6,67 % de C.

Cette réaction, qui se produit à 1148°C, peut s’écrire

Liquide (4,3% C) → austénite γ (2,11% C) + Fe3°C (6,67 % °C) …… à 1 148 °C

Cette réaction ne se rencontre pas dans les aciers au carbone car leur teneur en carbone est trop faible.

Réaction eutectoïde

Au point de réaction eutectoïde, l’austénite solide de 0,77% C produit de la ferrite α avec 0,022% C et Fe3C (cémentite) qui contient 6,67 % de C. Cette réaction, qui se produit à 727°C, peut s’écrire

austénite γ (0,77% C)→ ferrite α (0,022% C) + Fe3°C (6,67 % °C) ….. @727 °C

Cette réaction eutectoïde, qui se produit entièrement à l’état solide, est importante pour certains des traitements thermiques des aciers au carbone.

L’acier au carbone ordinaire contenant 0,77% de C est appelé acier eutectoïde car une structure eutectoïde de ferrite α et de Fe3C se forme lorsque l’austénite de cette composition est lentement refroidie en dessous de la température eutectoïde. Si l’acier ordinaire au carbone contient moins de 0,77 % de C, il est appelé acier hypereutectoïde, et si l’acier contient plus de 0,77 % de C, il est appelé acier hyper eutectoïde.