Comment l'acier est-il fabriqué ?

Une introduction à la production et aux propriétés des alliages d'acier

Selon la World Steel Association, 1869,9 millions de tonnes d'acier ont été produites en 2019. Cela représente une augmentation de 3,4 % de la production par rapport à 2018 et plus du double de la production de 1999. Le monde a un besoin sans cesse croissant d'acier. Il est utilisé dans la construction, l'industrie et la fabrication. A la fois solide et peu onéreux, il est idéal pour tous les types de fabrication.

De quoi est fait l'acier ?

Le fer, le principal composant élémentaire de l'acier, est l'un des éléments les plus abondants de la croûte terrestre. Tous les alliages d'acier sont principalement constitués de fer et de 0,002 à 2,1 % de carbone en poids. Dans cette gamme, le carbone se lie au fer pour créer une structure moléculaire solide. La microstructure en treillis qui en résulte permet d'obtenir certaines propriétés des matériaux, telles que la résistance à la traction et la dureté, sur lesquelles nous comptons pour l'acier.

Bien que tout l'acier soit composé de fer et de carbone, différents types d'acier contiennent différents pourcentages de chaque élément. L'acier peut également inclure d'autres éléments comme le nickel, le molybdène, le manganèse, le titane, le bore, le cobalt ou le vanadium. L'ajout de différents éléments à la "recette" d'un alliage d'acier affecte ses propriétés matérielles. La méthode de fabrication et de traitement de l'acier améliore encore ces capacités.

Un groupe notable d'alliages d'acier contient du chrome. Tous ces alliages sont communément appelés acier inoxydable.

Comment fabriquer de l'acier

À la base, l'acier est fabriqué en mélangeant du carbone et du fer à des températures très élevées (supérieures à 2 600 °F).

Aciérie primaire crée de l'acier à partir d'un produit appelé "fonte brute". La fonte brute est du fer fondu, à partir de minerai, qui contient plus de carbone que ce qui est correct pour l'acier.

L'aciériste utilise un système qui fait barboter de l'oxygène en faisant fondre la fonte brute. Ce processus crée une oxydation égale dans tout le métal en fusion. L'oxydation élimine l'excès de carbone. Il vaporise ou lie également les impuretés constituées d'éléments tels que le silicium, le phosphore et le manganèse.

Aciérie secondaire se fait « à la louche ». C'est un processus d'affinage et d'alliage de l'acier. La fabrication de l'acier secondaire peut commencer par la fusion de la ferraille ou poursuivre un processus primaire. Des éléments peuvent être ajoutés pour obtenir un alliage spécifique. Le métallurgiste peut également éliminer les impuretés de surface (décrassage). La poche est chauffée et refroidie aux températures nécessaires aux processus chimiques nécessaires.

Acier de finition

Dans une fonderie, l'acier est coulé au sable ou à la cire perdue dans des formes à motifs. Dans une aciérie, l'acier est coulé par une coulée continue en matériaux de construction bruts. Les coulées continues créent des formes d'acier brut standardisées plutôt que des pièces presque finies. L'acier brut sera usiné ou transformé en produits finis. Les aciéries coulent et forment généralement des tôles, des billettes, des barres, des blooms, des tuyaux, des lingots et des fils.

Un laminoir peut également laminer à chaud ou à froid de l'acier pendant la production. Ces processus créent différentes formes et finitions. Avant expédition, l'acier peut être découpé, enroulé ou mis en paquets avant de quitter l'usine.

En fonderie ou en aciérie, l'acier peut être traité thermiquement. Les étapes finales telles que la trempe, le revenu, la normalisation et le recuit peuvent façonner le comportement de l'alliage dans une application.

Invention de l'acier

Les archéologues ont trouvé le premier acier sur le site datant d'il y a 4 000 ans, en Turquie. Les aciers à creuset, comme le célèbre acier Wootz du sud de l'Inde, ont été fabriqués de manière cohérente dès le 4 ^ème siècle av. Cependant, jusqu'au milieu des années 1800, la fabrication de l'acier était incroyablement difficile.

L'acier fond autour de 2700°F. Maintenir cette chaleur élevée était un défi pour les anciens fours fabriquant de l'acier à creuset. De plus, des impuretés se trouvent dans les alliages d'acier, constitués d'éléments comme le silicium et le manganèse. Leur gestion présente toujours un défi. Dans l'ancienne sidérurgie, ils fabriquaient un long processus en plusieurs étapes. Les fondeurs passaient une longue journée à chauffer, remuer, décrassage et réchauffer leurs alliages. Une fois l'acier coulé, il allait ensuite être travaillé par des forgerons. Être martelé sur l'enclume a créé des formes finales. Cela a également aidé à répartir et à atténuer la variance, les pores ou les inclusions de carbone.

En 1856, Henry Bessemer dépose un brevet pour un procédé permettant de créer de l'acier d'une nouvelle manière. L'utilisation d'un convertisseur Bessemer, plutôt que de cuves de fusion traditionnelles, a permis à l'aciériste de faire barboter de l'air à travers le métal en fusion. En réaction à l'air, les impuretés s'oxyderaient et dégageraient des gaz. L'oxydation a également contribué à créer et à maintenir la chaleur élevée nécessaire à la fabrication de l'acier.

Un processus qui une fois par jour complet dans la fonderie et plus de temps dans la forge a été remplacé par un processus de 20 minutes qui pouvait créer 5 tonnes d'acier. L'acier de Bessemer était également plus solide et de meilleure qualité que la plupart des aciéristes ne pouvaient espérer. Cette innovation a soutenu la révolution industrielle.

L'acier est-il magnétique ?

La plupart des aciers sont magnétiques, mais pas tous. L'acier est principalement fabriqué à partir de fer et le fer est magnétique. Le ferromagnétisme a été découvert pour la première fois dans la nature dans les « magnétites », des pierres faites de magnétite, un oxyde de fer. D'autres éléments sont également ferromagnétiques, comme le cobalt et le nickel. Ces éléments se retrouvent aussi parfois dans l'acier.

Les aciers inoxydables sont notoirement non magnétiques, bien que tous les aciers inoxydables contiennent du fer et beaucoup contiennent du nickel. À vrai dire, seuls certains alliages inoxydables sont non magnétiques. L'acier inoxydable austénitique, qui contient du nickel, est non magnétique dans la plupart des cas (bien qu'il puisse devenir très légèrement magnétique lorsqu'il est travaillé.) D'autres types, comme les alliages ferritiques ou martensitiques, sont inoxydables et magnétiques.

Propriétés de l'acier

L'acier est si couramment utilisé en raison de ses propriétés matérielles spécifiques combinées à son coût relativement faible. Par rapport à de nombreux autres matériaux de construction et de fabrication d'outils (comme le bois, la pierre, le béton ou la fonte), les alliages d'acier offrent :

• Dureté :résistance à l'indentation lorsqu'il est pressé avec une pression progressivement croissante
• Résistance  :lorsque le matériau se déforme, la ténacité décrit jusqu'où il va avant de se fracturer
• Limite d'élasticité :résistance au changement de forme tout en étant tiré avec une pression progressivement croissante
• Résistance à la traction :la capacité d'un matériau à résister à la traction avant de casser
• Malléabilité :la possibilité d'être façonné par martelage ou pressage sans casser
• Ductilité  :la capacité d'être façonné sans perdre en ténacité :le travail du métal le rend souvent plus fragile, mais les matériaux ductiles ne se fragilisent pas aussi rapidement.

La gamme testée de ces propriétés varie selon les alliages, mais dans l'ensemble, l'acier parvient à être à la fois plus dur et plus résistant (moins cassant) que de nombreux autres matériaux.

Types d'acier

Il existe quatre principaux groupes d'alliages d'acier :les aciers au carbone, à outils, alliés et inoxydables.

• Acier au carbone —Les aciers doux, moyens et à haute teneur en carbone varient principalement en termes de dureté et de ductilité. Les aciers doux ou à faible teneur en carbone ont tendance à être plus ductiles que les autres aciers, mais offrent également une dureté inférieure. À l'autre extrémité de la gamme, les aciers à haute teneur en carbone sont plus durs. Cependant, l'acier à haute teneur en carbone a généralement une ductilité plus faible.
• Acier à outils — L'acier à haute teneur en carbone avec des éléments ajoutés comme le tungstène, le vanadium ou le molybdène, traité thermiquement et trempé à une dureté supérieure, est utilisé pour les aciers à outils.
• Acier allié —Cette famille d'aciers fait généralement référence à des aciers mélangés à des éléments spécifiques pour des propriétés matérielles extraordinaires, en dehors de ceux qui appartiennent couramment aux autres familles. Tous les aciers sont des alliages et beaucoup ont des éléments supplémentaires. Cependant, les aciers alliés sont des aciers inhabituels construits pour une application spécifique, et peuvent aller des formulations de valeur aux alliages exotiques utilisés pour les moteurs à réaction.
• Acier inoxydable —Ces aciers sont alliés au chrome pour les rendre résistants à la rouille par passivation.

Production d'acier :une histoire de recyclage

L'une des meilleures caractéristiques de l'acier (et d'autres métaux) est que la ferraille peut devenir un métal complètement nouveau et de haute qualité. Le processus de fabrication de l'acier secondaire crée des alliages aussi bons que ceux qui proviennent de la fonte brute. Les objets métalliques peuvent se dégrader à l'usage, mais la chimie élémentaire du métal signifie que la fusion et l'alliage créent un tout nouveau produit.

La croissance de la production sidérurgique ne nécessite donc pas une croissance équivalente de la fusion de nouveaux minerais (bien que la production de fonte brute reste un élément vital de la chaîne d'approvisionnement en acier.) La récupération et le traitement de la ferraille signifient que le panneau de voiture d'hier peut être la poutre en I de demain.

Avec 98% d'acier récupérable, le métal est l'un des produits les plus recyclables au monde. Pourtant, ce n'est pas sans défi environnemental. Le coke, une forme de charbon, est généralement utilisé comme apport de carbone dans la fabrication de l'acier. De plus, la haute énergie requise pour fondre ou fondre et l'oxydation et d'autres processus de production créent des produits chimiques et du dioxyde de carbone. Heureusement, de nombreuses recherches sont en cours dans le secteur de la sidérurgie pour atténuer les problèmes de production. Certains incluent le recyclage du dioxyde de carbone dans l'acier lui-même, en tant que source de carbone, réduisant ainsi le besoin d'autres sources comme le coke.

Avec ces technologies perfectionnées et mises en œuvre, la sidérurgie continuera d'être l'une des principales industries du futur. Il sous-tend, stimule et construit notre économie.