sidérurgie

sidérurgie, technologie industrielle et métallurgique relative à la production, à la transformation et à l'élaboration du fer, de la fonte et de l'acier, qui constituent des matériaux essentiels dans de nombreux secteurs économiques. On désigne en fait sous le nom « fer » un alliage constitué en majeure partie de cet élément chimique, mais contenant aussi des impuretés ou des éléments d'addition ; l'acier est, quant à lui, un alliage de fer et de carbone, contenant souvent d'autres corps simples destinés à améliorer ses propriétés mécaniques ou chimiques. Les aciers peuvent renfermer de 0,04 à 1,8 p. 100 de carbone, selon leur usage et leurs caractéristiques recherchées, tandis que, dans la fonte, la teneur de cet élément varie généralement de 2 à 4 p. 100, ce qui lui confère des propriétés différentes, notamment une plus grande fragilité mais une meilleure aptitude au moulage.

Évolution des techniques

On ignore la date exacte à laquelle fut découverte la technique de fusion du minerai de fer, mais cette innovation constitue une étape majeure dans l'histoire des civilisations humaines. En Égypte, les archéologues ont trouvé des outils en fer qui datent d'environ 3000 avant J.-C., témoignant d'une maîtrise précoce de ce matériau. La technique de la trempe des armes en fer par traitement thermique était déjà connue des Grecs dès 1000 avant J.-C., ce qui leur permettait d'améliorer la dureté et la résistance des armes.

Tous les alliages en fer produits jusqu'au XIV^e siècle seraient aujourd'hui classés parmi les fers, et non parmi les aciers, car leur teneur en carbone restait relativement faible. On les obtenait en chauffant une masse de minerai de fer et de charbon de bois dans une forge ou un four rudimentaire. Ce traitement réduisait le minerai à une masse spongieuse de fer métallique, renfermant encore de nombreuses impuretés non métalliques et des cendres de charbon de bois. Cette substance incandescente était ensuite retirée du four, puis battue au moyen de lourds marteaux de forge pour en extraire les scories et améliorer sa qualité. Ensuite, on pouvait souder le fer pour fabriquer divers objets. Préparé dans ces conditions, le métal contenait environ 3 p. 100 de particules de scories et 0,1 p. 100 d'autres impuretés. Les hommes apprirent progressivement à fabriquer de l'acier en chauffant du fer et du charbon de bois dans des caisses d'argile pendant plusieurs jours, ce qui permettait au fer d'absorber suffisamment de carbone pour se transformer en acier véritable, plus dur et plus résistant.

À partir du XIV^e siècle, les fours de fusion s'agrandirent considérablement et devinrent plus performants. En outre, on employa une ventilation plus importante afin d'introduire davantage d'air et d'ajouter les gaz de combustion à la « charge » (mélange de matières premières). Dans ces fours améliorés, 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, matériaux intermédiaires dans la fabrication de l'acier. La fonte brute, appelée ainsi car elle était généralement coulée en lingots, était ensuite affinée par différents procédés pour préparer l'acier utilisable dans l'industrie.

Aujourd'hui, on fabrique la fonte dans des hauts-fourneaux modernes, qui sont en réalité des versions perfectionnées et optimisées de ceux utilisés depuis le XIVe siècle, mais dotés de technologies avancées de contrôle et de rendement. Depuis les années soixante, des usines de taille plus réduite, appelées aciéries électriques, produisent de l'acier à partir de la fonte brute ou de ferrailles recyclées dans des fours électriques, permettant une plus grande flexibilité et une meilleure efficacité énergétique.

Production de fonte brute

Préparation

La fonte, découverte au XIII^e siècle mais utilisée de manière courante seulement à partir du XV^e siècle, est préparée dans un haut-fourneau, installation industrielle de grande taille. Les matières premières nécessaires sont le minerai de fer, auquel on associe un fondant, généralement du calcaire, ainsi que du coke métallurgique issu de la transformation du charbon. Le coke est brûlé pour chauffer le four à très haute température. Au fur et à mesure qu'il se consume et se calcine, il dégage du monoxyde de carbone, gaz réducteur qui s'allie aux oxydes de fer présents dans le minerai, les transformant en fer métallique. Cette réaction chimique fondamentale peut être résumée par l'équation suivante :

Dans le four, le calcaire joue un rôle essentiel : il agit comme fondant et se combine avec la silice infusible présente dans le minerai pour former du silicate de calcium fusible. Sans la présence de ce fondant, il se formerait du silicate de fer, ce qui diminuerait la quantité de fer récupérable. Le silicate de calcium ainsi formé, ainsi que d'autres impuretés, constitue un laitier liquide, qui flotte à la surface du métal fondu dans le fourneau. La fonte brute produite dans les hauts-fourneaux présente généralement une composition moyenne en poids : environ 92 p. 100 de fer, 3 à 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, ainsi que des traces de soufre, chacun de ces éléments influençant les propriétés finales du matériau.

Haut-fourneau

Un haut-fourneau est constitué d'une coque d'acier cylindrique de grande dimension, doublée intérieurement d'un matériau ignifuge, tel que de la brique réfractaire capable de résister à des températures extrêmement élevées. La coque est légèrement effilée vers le sommet et vers la base, tandis que son diamètre maximal se situe environ au quart de sa hauteur en partant du bas. La partie inférieure du four, appelée étalage, est équipée de plusieurs ouvertures tubulaires, appelées tuyères, permettant l'injection d'air chaud sous pression afin d'alimenter la combustion.

Dans l'étalage est percé un orifice, appelé trou de coulée, à travers lequel s'écoule périodiquement la fonte en fusion. Au-dessus de ce trou, un autre orifice permet d'évacuer le laitier, séparé du métal. Le sommet du fourneau, situé à environ 27 mètres de hauteur, est muni de conduits d'évacuation pour les gaz d'échappement produits lors des réactions chimiques. Il est également équipé de deux trémies rondes, sortes de réservoirs fermés par des vannes, par lesquelles la charge (minerai, coke et calcaire) est introduite dans le fourneau de manière contrôlée. Les matériaux sont acheminés jusqu'aux trémies à l'aide de petits wagonnets ou de bennes, qui sont hissés par un système de monte-charge incliné.

Les hauts-fourneaux fonctionnent en continu, parfois pendant plusieurs années sans interruption. La matière première est introduite sous forme de petites charges régulières toutes les dix à quinze minutes, afin d'assurer un fonctionnement stable et constant. Le laitier est retiré du haut de la masse en fusion environ toutes les deux heures, tandis que le fer fondu est évacué plusieurs fois par jour, généralement cinq fois, selon le rythme de production.

L'air de ventilation injecté dans le four est préchauffé à des températures très élevées, comprises entre 540 °C et 870 °C, afin d'améliorer le rendement thermique du processus. Le volume et le poids de cet air sont supérieurs à ceux de l'ensemble des autres matières premières introduites, ce qui montre son rôle essentiel dans le fonctionnement du haut-fourneau et dans la production efficace de la fonte brute.

Élaboration de l'acier

On prépare l'acier liquide à partir de deux principales sources : la fonte brute issue des hauts-fourneaux et la ferraille provenant du recyclage des métaux usagés. Ces deux matières premières sont utilisées seules ou en mélange, selon les procédés employés et les qualités d'acier recherchées, afin d'obtenir des caractéristiques mécaniques et chimiques précises adaptées aux usages industriels.

Procédé Martin

Pour produire de l'acier à partir de fonte brute, il est nécessaire de brûler l'excédent de carbone, ainsi que les autres impuretés contenues dans le fer, comme le silicium, le phosphore ou le soufre. Cette combustion se réalise difficilement, car l'acier possède un point de fusion élevé, d'environ 1 370 °C, ce qui ne permet pas d'employer des combustibles ni des fours ordinaires. Le four Martin, également appelé four à sole, résout ce problème technique. En effet, il peut fonctionner à très haute température grâce à un système ingénieux de préchauffage par régénération thermique. Pendant cette opération, les gaz d'échappement chauds à la sortie du four sont dirigés vers une série de chambres remplies de briques réfractaires, qui absorbent et stockent une grande partie de la chaleur. Ensuite, le sens de circulation des gaz est inversé : le combustible et l'air passent à travers ces chambres chauffées et sont ainsi préchauffés avant d'entrer dans le four. Cette méthode permet aux fours Martin d'atteindre des températures très élevées, de l'ordre de 1 700 °C, nécessaires à la transformation du métal.

Le four se compose d'un vaste foyer rectangulaire plat en briques réfractaires, appelé sole, mesurant environ 6 mètres sur 10 mètres, et recouvert d'une voûte d'environ 2,5 mètres de hauteur. L'espace situé sous ce foyer est occupé par les chambres de régénération thermique. Un four Martin peut produire environ 100 tonnes d'acier toutes les onze heures, selon sa taille et son fonctionnement. Il est alimenté par un mélange de fonte brute (à l'état fondu ou solide), de déchets d'acier recyclés et parfois de minerai de fer. On ajoute également du calcaire et de la fluorine pour faciliter la formation et la fluidité du laitier.

Le procédé Martin consiste à diminuer progressivement la teneur en carbone de la charge par oxydation, puis à éliminer les impuretés, telles que le silicium, le phosphore, le manganèse et le soufre, qui se combinent avec le calcaire pour former un laitier liquide séparé du métal. Ces réactions chimiques se produisent lorsque le métal est porté à sa température de fusion. Le four est alors maintenu à une température comprise entre 1 540 °C et 1 650 °C pendant plusieurs heures, jusqu'à ce que le métal atteigne la composition souhaitée. Pour contrôler la teneur en carbone, on prélève régulièrement de petites quantités de métal fondu, que l'on refroidit puis analyse physiquement ou chimiquement.

Lorsque la composition désirée est atteinte, le laitier est éliminé par un orifice situé à l'arrière du four. L'acier fondu est ensuite évacué par un canal de coulée vers une grande poche située au niveau du sol. À partir de cette poche, l'acier est versé dans des moules en fonte pour former des lingots. Plus récemment, des procédés de coulée continue ont été développés, permettant de produire directement des produits semi-finis sans passer par l'étape intermédiaire des lingots.

Procédé à l'oxygène

Le procédé d'affinage du fer fondu par insufflation d'air a été mis au point au XIXe siècle par le Britannique Henry Bessemer, qui inventa le convertisseur Bessemer en 1855. Ce procédé utilisait un four de forme piriforme, appelé cornue, pouvant être incliné pour faciliter le chargement et la vidange. De grandes quantités d'air étaient insufflées dans la masse de métal en fusion, ce qui provoquait l'oxydation des impuretés, lesquelles étaient ensuite éliminées sous forme de gaz ou de laitier.

Aujourd'hui, cette technique a été largement améliorée en remplaçant l'air par un jet d'oxygène pur ou presque pur, injecté à haute pression. Des milliers de mètres cubes d'oxygène sont introduits dans le bain de métal à l'aide d'une lance refroidie, ce qui accélère fortement les réactions chimiques. L'oxygène se combine rapidement avec le carbone et les autres éléments indésirables, provoquant une élévation importante de la température et une combustion rapide des impuretés. Ce procédé permet de transformer la fonte en acier en un temps très court. L'opération complète d'affinage dure généralement moins de cinquante minutes, et une installation moderne peut produire environ 275 tonnes d'acier par heure, ce qui en fait l'un des procédés les plus productifs de l'industrie sidérurgique.

Affinage au four électrique

Dans certains types de fours, la chaleur nécessaire à la fusion et à l'affinage de l'acier est fournie par l'électricité plutôt que par la combustion de combustibles. Les fours électriques, notamment les fours à arc électrique, sont particulièrement adaptés à la production d'aciers spéciaux, comme les aciers inoxydables ou les aciers alliés nécessitant une grande précision dans leur composition chimique. Le contrôle des conditions de fusion y est plus précis que dans un four Martin ou un convertisseur à oxygène.

L'affinage se déroule dans une enceinte fermée, où la température et la pression sont contrôlées avec précision à l'aide de dispositifs automatiques. Au début du processus, on peut injecter de l'air enrichi en oxygène afin d'accélérer la montée en température et de réduire la durée du cycle de production. La quantité d'oxygène introduite est strictement régulée afin d'éviter des réactions d'oxydation indésirables.

Dans la majorité des cas, la charge du four est constituée principalement de ferrailles recyclées. Ces matériaux doivent être soigneusement triés et analysés avant utilisation, car leur composition influence directement celle de l'acier final. On ajoute également de petites quantités de minerai de fer, de chaux et d'autres additifs pour favoriser l'élimination des impuretés. Lors du fonctionnement du four, des électrodes en graphite sont placées au-dessus de la charge métallique. Le passage du courant électrique entre ces électrodes crée des arcs électriques intenses, qui dégagent une chaleur suffisante pour faire fondre rapidement le métal et permettre son affinage.

Autres méthodes d'affinage du fer

La quasi-totalité de l'acier produit dans le monde provient de la transformation de la fonte brute issue des hauts-fourneaux. Toutefois, il existe d'autres méthodes permettant d'obtenir du fer ou de l'acier sans passer par cette étape intermédiaire. L'une de ces techniques consiste à produire directement du fer métallique à partir du minerai, grâce à des procédés de réduction directe. Dans ce cas, le minerai de fer est mélangé à du coke ou à un gaz réducteur et chauffé dans un four rotatif à une température d'environ 950 °C. Le monoxyde de carbone agit alors comme agent réducteur et transforme les oxydes de fer en métal sans atteindre le stade de fusion complète.

Ce procédé permet d'obtenir un fer plus pur que la fonte brute et réduit certaines étapes de transformation. Il est particulièrement utilisé dans certaines régions du monde où les ressources énergétiques ou les infrastructures industrielles diffèrent. Par ailleurs, il est également possible de produire du fer pur par électrolyse, en faisant passer un courant électrique à travers une solution de chlorure ferreux. Cette méthode, relevant de l'électrochimie, permet d'obtenir un métal très pur, bien que son usage reste limité à des applications spécifiques en raison de son coût élevé et de sa complexité technique.