Fer à repasser

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Contexte

Le fer est l'un des éléments les plus répandus sur terre. Presque toutes les constructions humaines contiennent au moins un peu de fer. C'est également l'un des métaux les plus anciens et a été transformé pour la première fois en objets utiles et ornementaux il y a au moins 3 500 ans.

Le fer pur est un métal blanc grisâtre doux. Bien que le fer soit un élément commun, le fer pur ne se trouve presque jamais dans la nature. Le seul fer pur connu qui existe naturellement provient de météorites tombées. La plupart du fer se trouve dans les minéraux formés par la combinaison du fer avec d'autres éléments. Les oxydes de fer sont les plus courants. Les minéraux près de la surface de la terre qui ont la teneur en fer la plus élevée sont connus sous le nom de minerais de fer et sont exploités commercialement.

Le minerai de fer est converti en divers types de fer par plusieurs procédés. Le processus le plus courant est l'utilisation d'un haut fourneau pour produire de la fonte brute qui contient environ 92 à 94 % de fer et 3 à 5 % de carbone avec de plus petites quantités d'autres éléments. La fonte brute n'a que des utilisations limitées, et la majeure partie de cette fonte est acheminée vers une aciérie où elle est convertie en divers alliages d'acier en réduisant davantage la teneur en carbone et en ajoutant d'autres éléments tels que le manganèse et le nickel pour conférer à l'acier des propriétés spécifiques.

Historique

Les historiens pensent que les Égyptiens ont été les premiers à travailler avec de petites quantités de fer, il y a cinq ou six mille ans. Le métal qu'ils utilisaient était apparemment extrait de météorites. La preuve de ce que l'on pense être le premier exemple d'extraction et de fusion du fer indique l'ancienne culture hittite dans ce qui est aujourd'hui la Turquie. Parce que le fer était un matériau bien supérieur pour la fabrication d'armes et d'outils que tout autre métal connu, sa production était un secret bien gardé. Cependant, la technique de base était simple et l'utilisation du fer s'est progressivement répandue. Aussi utile qu'il soit comparé à d'autres matériaux, le fer présentait des inconvénients. La qualité des outils fabriqués à partir de celui-ci était très variable, selon la région d'où provenait le minerai de fer et la méthode utilisée pour extraire le fer. La nature chimique des changements survenus au cours de l'extraction n'a pas été comprise; en particulier, l'importance du carbone pour la dureté du métal. Les pratiques variaient considérablement selon les régions du monde. Il existe des preuves, par exemple, que les Chinois ont été capables de fondre et de mouler des outils en fer très tôt, et que les Japonais ont produit des résultats étonnants avec de l'acier en petites quantités, comme en témoignent les épées ancestrales datant de plusieurs siècles. Des percées similaires ont été faites au Moyen-Orient et en Inde, mais les processus n'ont jamais vu le jour dans le reste du monde. Pendant des siècles, les Européens n'avaient pas du tout de méthodes pour chauffer le fer jusqu'au point de fusion. Pour produire du fer, ils brûlaient lentement du minerai de fer avec du bois dans un four recouvert d'argile. Le fer s'est séparé de la roche environnante mais n'a jamais tout à fait fondu. Au lieu de cela, il a formé un laitier croustillant qui a été éliminé par martelage. Ce processus répété de chauffage et de martelage mélangeait de l'oxygène à l'oxyde de fer pour produire du fer et éliminait le carbone du métal. Le résultat était du fer presque pur, facile à façonner avec des marteaux et des pinces, mais trop mou pour prendre et garder un bon tranchant. Parce que le métal a été façonné, ou forgé, par martelage, on l'a appelé fer forgé.

Les outils et les armes ramenés d'Orient en Europe étaient faits d'un fer fondu et façonné. Retenant plus de carbone, la fonte est plus dure que le fer forgé et conservera un tranchant. Cependant, il est aussi plus cassant que le fer forgé. Les ouvriers du fer européens savaient que les orientaux avaient du meilleur fer, mais pas les processus impliqués dans la fabrication de produits en fer plus résistants. Des nations entières ont lancé des efforts pour découvrir le processus.

La première percée européenne connue dans la production de fonte, qui conduisit rapidement au premier acier pratique, ne se produisit qu'en 1740. Cette année-là, Benjamin Huntsman déposa un brevet pour la fusion de matériaux pour la production de ressorts en acier à utilisé en horlogerie. Au cours des 20 années suivantes, la procédure est devenue plus largement adoptée. Huntsman a utilisé un haut fourneau pour faire fondre du fer forgé dans un creuset en argile. Il a ensuite ajouté des quantités soigneusement mesurées de charbon de bois pur au métal fondu. L'alliage résultant était à la fois solide et flexible lorsqu'il était coulé en ressorts. Étant donné que Huntsman ne s'intéressait à l'origine qu'à la fabrication de meilleures horloges, son creuset en acier a directement conduit au développement de chronomètres nautiques, qui, à leur tour, ont rendu possible la navigation mondiale en permettant aux marins de déterminer avec précision leur position est/ouest. Le fait qu'il ait également inventé la métallurgie moderne était un effet secondaire qu'il n'a apparemment pas remarqué.

Matières premières

Les matières premières utilisées pour produire de la fonte brute dans un haut fourneau sont le minerai de fer, le coke, l'aggloméré et le calcaire. Les minerais de fer sont principalement des oxydes de fer et comprennent de la magnétite, de l'hématite, de la limonite et de nombreuses autres roches. La teneur en fer de ces minerais varie de 70 % à 20 % ou moins. Le coke est une substance fabriquée en chauffant du charbon jusqu'à ce qu'il devienne du carbone presque pur. L'aggloméré est fait de minerai de fer de moindre qualité, finement divisé, qui est grillé avec du coke et de la chaux pour éliminer une grande quantité d'impuretés dans le minerai. Le calcaire est présent naturellement et est une source de carbonate de calcium.

D'autres métaux sont parfois mélangés avec du fer dans la production de diverses formes d'acier, telles que le chrome, le nickel, le manganèse, le molybdène et le tungstène.

Le processus d'extraction et de raffinage du minerai

Avant que le minerai de fer puisse être utilisé dans un haut fourneau, il doit être extrait du sol et partiellement raffiné pour éliminer la plupart des impuretés.

Appuyé sur ses longues pinces, ce jeune aide puddleur de fer a posé pour cette photographie au début des années 1860, quand les Sons of Vulcan étaient une jeune union. (Provenant des collections du Henry Ford Museum &Greenfield Village.)

Historiquement, le fer était produit par la méthode du vent chaud, ou plus tard, le four à anthracite. Quoi qu'il en soit, l'activité fondamentale dans la fabrication du fer impliquait un ouvrier remuant de petits lots de fonte brute et de cendres jusqu'à ce que le fer se sépare du laitier. Appelé "flaques d'eau", c'était un travail hautement qualifié, mais aussi chaud, épuisant et dangereux. Cela demandait beaucoup d'expérience ainsi qu'une solide constitution. Les Puddlers étaient fiers, indépendants et très bien payés.

Puddlers a fondé le premier syndicat de l'industrie du fer et de l'acier, les Sons of Vulcan, à Pittsburgh en 1858. En 1876, ce syndicat a fusionné avec trois autres organisations syndicales pour former l'Amalgamated Association of Iron and Steel Workers. C'est le syndicat qu'Andrew Carnegie a défait lors de la grève de Homestead en 1892, laissant le syndicat en ruine et l'industrie essentiellement inorganisée jusqu'aux années 1930.

William S. Pretzer

Extraction

• 1 Une grande partie du minerai de fer mondial est extraite par l'exploitation minière à ciel ouvert dans laquelle le Le fer pur est un métal blanc grisâtre doux. Bien que le fer soit un élément commun, le fer pur ne se trouve presque jamais dans la nature. Les minéraux près de la surface de la terre qui ont la teneur en fer la plus élevée sont connus sous le nom de minerais de fer et sont exploités commercialement. la surface du sol est enlevée par des machines lourdes, souvent sur une très grande surface, pour exposer le minerai en dessous. Dans les cas où il n'est pas économique d'enlever la surface, des puits sont creusés dans la terre, avec des tunnels latéraux pour suivre la couche de minerai.

Raffinage

• 2 Le minerai extrait est concassé et trié. Les meilleures qualités de minerai contiennent plus de 60 % de fer. Les teneurs inférieures sont traitées ou raffinées pour éliminer divers contaminants avant que le minerai ne soit expédié au haut fourneau. Collectivement, ces méthodes de raffinage sont appelées enrichissement et comprennent un concassage supplémentaire, un lavage à l'eau pour faire flotter le sable et l'argile, la séparation magnétique, la granulation et le frittage. Au fur et à mesure que l'offre mondiale connue de minerai à haute teneur en fer s'épuise, ces techniques de raffinage sont devenues de plus en plus importantes.
• 3 Le minerai raffiné est ensuite chargé sur des trains ou des bateaux et transporté jusqu'au site du haut fourneau.

Le processus de fabrication

Chargement du haut fourneau

• 1 Après traitement, le minerai est mélangé avec d'autres minerais et passe au haut fourneau. Un haut fourneau est une structure en forme de tour, en acier et revêtue de briques réfractaires ou résistantes à la chaleur. Le mélange de matière première, ou charge, entre par le haut du haut fourneau. Au fond du four, de l'air très chaud est soufflé, ou soufflé, dans des buses appelées tuyères. Le coke brûle en présence de l'air chaud. L'oxygène de l'air réagit avec le carbone du coke pour former du monoxyde de carbone. Le monoxyde de carbone réagit ensuite avec le minerai de fer pour former du dioxyde de carbone et du fer pur.

Séparer le fer du laitier

• 2 Le fer fondu coule au fond du four. Le calcaire se combine avec la roche et d'autres impuretés du minerai pour former un laitier qui est plus léger que le fer et flotte à la surface. Au fur et à mesure que le volume de la charge est réduit, plus est continuellement ajouté au sommet du four. Le fer et le laitier sont soutirés séparément du fond du four. Le fer fondu peut être soumis à un autre processus d'alliage ou peut être coulé en lingots appelés porcs. Les scories sont emportées pour être éliminées.

Traiter les gaz

• 3 Les gaz chauds produits lors des réactions chimiques sont soutirés par le haut et acheminés vers une usine d'épuration des gaz où ils sont nettoyés ou lavés et renvoyés dans le four ; le monoxyde de carbone restant, en particulier, est utile aux réactions chimiques se déroulant à l'intérieur du four.

  Un haut fourneau fonctionne normalement jour et nuit pendant plusieurs années. Finalement, le revêtement en briques commence à s'effriter et le four est ensuite arrêté pour maintenance.

Contrôle qualité

Le fonctionnement du haut fourneau est fortement instrumenté et est surveillé en permanence. Les heures et les températures sont vérifiées et enregistrées. La teneur chimique des minerais de fer reçus des différentes mines est vérifiée et le minerai est mélangé à d'autres minerais de fer pour obtenir la charge souhaitée. Des échantillons sont prélevés à chaque coulée et vérifiés pour le contenu chimique et les propriétés mécaniques telles que la résistance et la dureté.

Sous-produits/Déchets

Les effets environnementaux possibles de l'industrie sidérurgique sont nombreux. Le premier et le plus évident est le processus d'exploitation à ciel ouvert. D'immenses étendues de terre sont dénudées jusqu'à la roche nue. Aujourd'hui, les sites miniers épuisés sont couramment utilisés comme décharges, puis recouverts et aménagés. Certaines de ces décharges deviennent elles-mêmes des problèmes environnementaux, car dans un passé récent, certaines ont été utilisées pour l'élimination de substances hautement toxiques qui se sont infiltrées dans le sol et l'eau.

Le processus d'extraction du fer du minerai produit de grandes quantités de gaz toxiques et corrosifs. En pratique, ces gaz sont épurés et recyclés. Inévitablement, cependant, de petites quantités de gaz toxiques s'échappent dans l'atmosphère.

Un sous-produit de la purification du fer est le laitier, qui est produit en quantités énormes. Ce matériau est en grande partie inerte, mais doit toujours être éliminé dans des décharges.

La fabrication du fer consomme d'énormes quantités de charbon. Le charbon n'est pas utilisé directement, mais est d'abord réduit en coke qui se compose de carbone presque pur. Les nombreux sous-produits chimiques de la cokéfaction sont presque tous toxiques, mais ils sont aussi commercialement utiles. Ces produits comprennent l'ammoniac, qui est utilisé dans un grand nombre de produits; le phénol, qui est utilisé pour fabriquer des plastiques, des huiles de coupe et des antiseptiques ; les crésols, qui entrent dans les herbicides, les pesticides, les produits pharmaceutiques et les produits chimiques photographiques ; et le toluène, qui est un ingrédient de nombreux produits chimiques complexes tels que les solvants et les explosifs.

La ferraille et l'acier - sous la forme de vieilles voitures, d'appareils électroménagers et même de bâtiments entiers à poutres d'acier - sont également une préoccupation environnementale. Cependant, la plupart de ces matériaux sont recyclés, car la ferraille d'acier est une ressource essentielle dans la fabrication de l'acier. La ferraille qui n'est pas recyclée finit par se transformer en oxyde de fer, ou en rouille, et retourne au sol.

Le futur

À première vue, l'avenir de la production de fer, en particulier aux États-Unis, semble trouble. Les réserves de minerai de haute qualité se sont considérablement épuisées dans les zones où il peut être extrait de manière économique. De nombreuses aciéries de longue date ont fermé.

Cependant, ces apparences sont trompeuses. De nouvelles techniques d'enrichissement du minerai ont rendu l'utilisation de minerai à faible teneur beaucoup plus attrayante, et il existe une vaste offre de ce minerai. De nombreuses aciéries ont fermé au cours des dernières décennies, mais c'est en grande partie parce qu'il en faut moins. L'efficacité des hauts fourneaux seuls s'est remarquablement améliorée. Au début de ce siècle, le plus grand haut fourneau des États-Unis produisait 644 tonnes de fonte par jour. On pense que bientôt la production possible d'un seul four atteindra 4 000 tonnes par jour. Étant donné que bon nombre de ces usines plus modernes ont été construites à l'étranger, il est en fait devenu plus économique dans certains cas d'expédier de l'acier à travers l'océan que de le produire dans des usines américaines plus anciennes.