MÉTALLURGIE Le fer et l`acier - Saint

MÉTALLURGIE
Le fer et l'acier
A. Principe de base de la métallurgie
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Le principe de base de la métallurgie traditionnelle consiste à :
Transformer le minerai en oxydes, ce qui constitue une
opération facile pour les oxydes eux-mêmes (par exemple
Fe0) et les carbonates (par exemple calamine : ZnCO3,
malachite = Cu2CO3(OH)2) dans le cas des sulfures, un
grillage préalable est parfois requis (par exemple CuS)
Mélanger cet oxyde avec un générateur de réducteur (en
général le charbon de bois qui va donner en combustion en
atmosphère réductrice du monoxyde de carbone)
Chauffer ce mélange à une température telle que le métal
se réduit et fond
Transformer ce métal en un semi-produit.
Purification des métaux
précieux
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Souvent cependant, le métal que l’on veut
obtenir est associé à un autre élément et
l’alliage de ces deux éléments n’est pas
souhaité. Il faut donc séparer ces éléments.
Dans le cas des métaux précieux, on
procédait généralement à l’amalgamation
(dissolution dans le mercure et évaporation
du mercure) ou à la coupellation (oxydation
sélective d’un métal comme par exemple le
plomb argentifère pour obtenir l’argent).
B.Production de la fonte
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Un autre cas cependant est
bien plus courant c’est
l’alliage du fer et du
carbone.
Avec les hauts fourneaux
anciens il était très difficile
d’atteindre des températures
de l’ordre de 1500°C, en fait
le fer fondait vers 1200°C
dans un alliage contenant
environ 5 % de carbone.
Le fer ainsi obtenu s’appelait
évidemment de la fonte.
Obtention de l’acier
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Mais le taux de carbone de la fonte était bien trop
élevé pour atteindre les bonnes propriétés de l’acier
( environ 1,5 % de carbone).
On battait donc les barres de fer à chaud avec des
martinets hydrauliques (makas) qui expulsaient
mécaniquement le carbone excédentaire.
Localisation des hauts fourneaux
et forges traditionnelles
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Pour installer un haut fourneau et une forge
il y avait donc deux conditions importantes
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Être près d’une source de combustible
c’est-à-dire de charbon de bois donc dans une
zone forestière
Avoir un cours d’eau rapide (souvent non
navigable)
Ces deux conditions expliquent pourquoi
les hauts fourneaux et forges anciennes
étaient situées dans des zones comme les
Ardennes ou la Haute-Marne.
Localisation des hauts fourneaux et
forges traditionnelles en Belgique et en
France
Utilisations traditionnelles de
l’acier et du fer pour les
restaurateurs-1
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L’armurerie tant pour les armes à feu que les armes blanches
L’horlogerie
Utilisations traditionnelles de
l’acier et du fer pour les
restaurateurs-2
La serrurerie
La coutellerie
Utilisations traditionnelles de
l’acier et du fer pour les
restaurateurs-3
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Les machines et les outils
Les fers forgés
(la clouterie)
C.Evolution du combustible :
le coke
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Dès le XVIIème siècle, les anglais en particulier
essayèrent de remplacer le charbon de bois par du
charbon de terre dans les hauts fourneaux. Les aciers
produits ainsi étaient cependant de très mauvaise
qualité.
Les liégeois ont très rapidement utilisé leur houille
mais plutôt pour la forge que pour le fourneau.
La solution vint de l’utilisation du coke, un charbon
« cuit » pour en retirer toutes les matières
volatiles et renforcer la teneur en carbone que l’on
date généralement du XVIIème siècle mais qui ne se
répandit qu’à partir de la fin du XVIIIème siècle et
surtout dans la première moitié du XIXème siècle
Utilisation de la machine à
vapeur
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A partir de la fin du XVIIIème siècle et au début du XIXème
siècle, on put remplacer l’énergie hydro-électrique nécessaires
pour battre le fer avec les martinets par la machine à vapeur.
Ces deux changements majeurs (coke et machine à vapeur)
ont entrainé une relocalisation rapide des aciéries (entre 1800
et 1860) vers des zones de production charbonnière
proches de préférence de rivières navigables.
Le puddlage de l’acier
En 1784, Henri Cort prit un brevet pour une invention qui allait bientôt être
connue sous le nom de « puddlage ». Cette invention consistait à
« brasser » la fonte dans un four à réverbère (la chaleur est réfléchie
(réverbérée) par la voûte du four) avec des barres métalliques pour en
retirer une partie du carbone.
Le fer puddlé a été très utilisé au XIXème siècle y compris pour les
constructions monumentales comme la gare de l’Est et la tour Eiffel à
Paris.
Grandes étapes dans la
production d’acier
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Dans les années 1850, Bessemer met au point son
convertisseur dans lequel on insuffle de l’air pour provoquer la
combustion du carbone excédentaire. Ce procédé présentait le
désavantage d’oxyder le phosphore dans les minerais qui en
contenaient.
En 1877, Thomas et Gilchrist améliorent le procédé Bessemer
en utilisant de la dolomie qui capte les oxydes et l’acide
phosphoriques laissant un résidu solide ayant la formule
(P2O5.4CaO) utilisé comme engrais
En 1856, Martin modifie le four Siemens ce qui permet de
récupérer les gaz chauds.
Invention et mise au point du four
électrique
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Le premier four électrique à arc a été mis au point
en 1900 par Paul Héroult, le co-inventeur du
procédé de production de l’aluminium par
électrolyse de l’alumine dans la cryolithe.
Le four comporte deux électrodes et deux trous de
coulée superposés. Il a l'idée de faire jaillir deux
étincelles en monophasé et trois étincelles en
triphasé entre les électrodes et le bain.
Par effet Joule, la température du bain s'élève.
Le four Héroult ne peut remplacer les hautfourneaux. C'est en revanche un excellent outil
pour l'affinage de la fonte en acier. Le four
Héroult remplacera progressivement tous les
autres fours d'affinage pour devenir l'unique type
de four utilisé pour cette opération.
D.Découverte des aciers
inoxydables
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Dans la dernière décennie du XIXème
siècle et la première du XXème, différentes
recherches furent entreprises sur
l’utilisation du chrome pour augmenter
la résistance à l’oxydation de l’acier.
On considère généralement que le premier
acier inoxydable a été mis au point en 1913
à Sheffield par harry Brearley dans les
laboratoires de Brown-Firth.
E. Schéma actuel de la production
d’acier
Tous les éléments
principaux sont donc en
place au début du XXème
siècle pour produire l’acier
tel que nous le
connaissons. Beaucoup
d’améliorations dans les
alliages ont encore et sont
toujours réalisées mais les
principes n’ont plus
changé.
Résumé pour l’acier
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En résumé on peut dire que depuis la
révolution industrielle, on a appris à
maîtriser la production d’acier avec la
fabrication de produits beaucoup plus purs,
de qualité bien plus constantes et nettement
plus performants.
Par ailleurs la mise au point des aciers
inoxydables à permis dans de nombreux
cas de résoudre élégamment le principal
désavantage de l’acier : sa tendance à la
corrosion.
Schéma de base de l’évolution des
métallurgies au XIXème siècle
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Vers 1800, la métallurgie se limitait en pratique à la
transformation des 7 éléments connus depuis
l’antiquité (Ag, Au, Cu, Fe, Hg, Pb et Sn).
La technologie avait commencé à évoluer pour la
sidérurgie.
Dans les 50 ans qui suivront, en pratique seul deux
nouveaux métaux seront ajoutés à cette liste : le zinc
puis le nickel.
Il faudra attendre la fin du XIXème siècle et l’aube du
20ème pour ajouter deux autres métallurgie majeures :
celle de l’aluminium et celle du chrome.
Le Zinc
A.Le zinc en tant que composante
du laiton
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Le zinc est connu depuis très longtemps comme une des
composantes principales du laiton. En fait, on retrouve déjà du zinc
dans certains bronzes grecs ou romains mais les quantités sont
assez faibles (maximum 20 %).
Les grecs connaissaient un alliage proche du laiton qu’ils
appelaient orichalque.
Le laiton était produit en mélangeant soit du cuivre pur, soit
de l’oxyde de cuivre avec de l’oxyde de zinc (obtenu par
calcination du carbonate de zinc appelé calamine) et du charbon
de bois et en faisant chauffer ce mélange en atmosphère
réductrice.
Première usine de zinc au
monde
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Par contre le métal non allié était rare et très
impur. Il était produit en Inde et en Chine
depuis le moyen-âge. En fait ce métal est
difficile à produire car il s’évapore rapidement
et brûle au contact de l’air.
Le développement de la métallurgie du zinc
est due principalement à Jean Jacques Daniel
Dony, qui obtint en 1805 la concession des
mines de la vieille montagne à La Calamine et
expérimenta à partir de 1808 l'extraction
industrielle du zinc dans son usine du
faubourg Saint-Léonard de Liège.
Principe du four de Dony
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Le principe du four de Dony
consiste à mélanger le minerai
grillé avec du charbon dans de
longs tubes horizontaux en
terre cuite (par exemple d’une
longueur de 140 cm et d’un
poids de 70 kg) fermé d’un côté
et inclinés vers les creusets.
Porté à haute température, le
zinc se vaporise et se dégage
vers la partie basse des tubes,
appelée « botte » qui se trouve
à l’extérieur du four et où le
zinc se refroidit et se
condense sous forme liquide.
Il peut alors être coulé en
lingots.
J.J.D. Dony >>< F.D.Mosselman
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Pour la petite histoire, Jean Jacques
Daniel Dony vendit une partie de ses
parts à François Dominique Mosselman
(BK6 n°32808) le 22/07/1814. Il mourut
ruiné le 06/11/1819 après avoir fait
faillite le 21/07/1819.
F. D. Mosselman développa de manière
considérable la société Vieille
Montagne, en fit une grande société
multinationale qui racheta plusieurs
concurrents.
En 1989, cette société passa dans le
giron de l’Union Minière qui elle-même
changera son nom en Umicore.
Fin 2007, Umicore a fusionné ses
activités de zinc avec celles de Zinifex
pour créer Nystar le premier producteur
de zinc au monde.
Applications du zinc
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Utilisation du zinc dans les piles
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Le zinc allait connaître une croissance extraordinaire par
exemple comme matériau de couverture dans les
toitures, comme revêtement anti-corrosion dans le
procédé incorrectement appelé de « galvanisation », pour
la fabrication de seaux et de baignoires (dont celle de
Napoléon)
Utilisation du zinc en
statuaire
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Le zinc a été utilisé à très grande
échelle à partir du milieu du
XIXème siècle pour faire des
statues. Effectivement, ce métal
peut se couler beaucoup plus
facilement que le bronze ou
encore, on peut en faire des
feuilles, les estamper et ensuite
souder les feuilles ainsi déformées.
Il suffit ensuite de donner au zinc
un aspect plus attirant comme par
exemple celui du bronze.
Ces statues commencent à se
détériorer et certaines valent la
peine d’être restaurées.
Le zamak et les dinky toys
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Pour les collectionneurs, on ne peut éviter de mentionner un alliage de
zinc développé en Allemagne et appelé Zamak. Il s’agit typiquement
d’un alliage de zinc avec 4 % d’aluminium, 1 % de cuivre et 0,04 % de
magnésium. Cet alliage est très facile à injecter sous pression et a donc
et est encore utilisé pour la fabrication de nombreuses pièces
techniques.
Une des applications émouvantes du zamak est l’injection de jouets, en
particulier les fameuses « dinky toys » très appréciées de nombreux
collectionneurs.