Le processus de fabrication de l'acier expliqué : du minerai de fer à l'alliage

Introduction à la production et propriétés des alliages d'acier

Selon l'Association Mondiale de l'Acier, 1869,9 millions de tonnes d'acier produites en 2019. Augmentation 3,4 % vs 2018, plus du double de 1999. Le monde a un besoin croissant d'acier. Construction, industrie, fabrication. À la fois résistant et peu coûteux, idéal pour tous types de fabrication.

De quoi est fait l'acier ?

Le fer, composant élémentaire majeur de l'acier, est l'un des éléments les plus abondants dans la croûte terrestre. Tous alliages d'acier sont principalement fer et 0,002–2,1 % carbone en poids. Dans cette gamme, carbone se lie au fer créant structure moléculaire forte. Le réseau microstructurel résultant permet d'atteindre propriétés comme résistance à la traction et dureté qu'on attend de l'acier.

Bien que tout acier soit fer + carbone, différents types contiennent différents pourcentages. L'acier peut inclure autres éléments : nickel, molybdène, manganèse, titane, bore, cobalt, vanadium. Ajouter différents éléments à la « recette » affecte les propriétés. Le procédé de fabrication et traitement affine ces aptitudes.

Un groupe notable contient du chrome. Tous ces alliages = acier inoxydable.

Comment faire de l'acier

À la base, l'acier se fait en mélangeant carbone et fer à très haute température (>1427 °C / 2600 °F).

Premier âge de l'acier (Primary steelmaking) crée l'acier depuis « fonte brute » (pig iron). Fonte brute = fer réduit du minerai, contient plus de carbone que requis pour l'acier.

L'aciérier utilise un système bullant de l'oxygène dans la fonte brute fondue. Procédés crée oxydation égale dans tout le métal fondu. Oxydation enlève excès carbone. Vaporise ou lie impuretés (silicium, phosphore, manganèse).

Second âge de l'acier (Secondary steelmaking) se fait « en poche » (in the ladle). Processus de raffinage et alliage. Peut commencer par fonte de ferraille, ou continuer processus primaire. Éléments ajoutés pour alliage spécifique. Ouvrier peut aussi enlever impuretés de surface (déslimage). La poche est chauffée/ refroidie aux températures nécessaires pour processus chimiques.

Finition de l'acier

En fonderie, acier moulé en sable ou investissement en formes patronnées. En aciérie, acier coulé par machine de coulée continue en matières premières brutes. Coulée continue = formes brutes standardisées plutôt que pièces quasi-finies. Acier brut sera usiné ou travaillé en produits finis. Aciéries produisent couramment tôles, brames, barres, blooms, tubes, lingots, fils.

Une aciérie peut aussi laminer à chaud ou à froid pendant production. Ces procédés créent différentes formes et finitions. Avant expédition, acier peut être coupé, bobiné, ou fagoté.

En fonderie ou aciérie, acier peut être traité thermique. Étapes finales : trempe, revenu, normalisation, recuit façonnent le comportement de l'alliage en application.

Invention de l'acier

Archologues ont trouvé acier le plus ancien sur site 4000 ans, Turquie. Aciers au creuset, comme fameux Wootz d'Inde du Sud, faits consistentement dès 4e siècle av. J.-C. Mais jusqu'au milieu XIXe, fabrication acier incroyablement difficile.

L'acier fond vers 1480 °C (2700 °F). Maintenir cette chaleur défiait fours antiques pour acier au creuset. Impuretés (silicium, manganèse) posent encore défi. Dans fabrication ancienne : longues procédures multi-étapes. Fondeurs passaient journée à chauffer, remuer, déslimer, réchauffer. Après coulée, allait au forgeron. Martelage sur enclume = formes finales. Aide aussi répartir/atténuer variance carbone, pores, inclusions.

1856 : Henry Bessemer brevette nouveau procédé. Convertisseur Bessemer au lieu vaisseaux traditionnels permet buller air dans métal fondu. Réaction à l'air : impuretés s'oxydent et dégazent. Oxydation aide aussi créer/maintenir haute chaleur nécessaire.

Procédé jadis d'une journée en fonderie + temps forge → processus 20 min pour 5 tonnes. Acier Bessemer plus résistant, meilleure qualité. Innovation soutint Révolution Industrielle.

L'acier est-il magnétique ?

La plupart des aciers sont magnétiques, mais pas tous. L'acier est mostly fer, et fer est magnétique. Ferromagnétisme découvert dans nature dans « pierres d'aimant » (lodestones) — magnétite, oxyde de fer. Autres éléments ferromagnétiques : cobalt, nickel. Parfois trouvés dans l'acier.

Les aciers inoxydables sont fameusement non-magnétiques, bien que tous contiennent fer et beaucoup nickel. Vérité : seulement certains alliages inox sont non-magnétiques. Austénitique (contient nickel) = non-magnétique dans la plupart cas (peut devenir très légèrement magnétique quand travaillé). Autres types, ferritique ou martensitique, sont inox ET magnétiques.

Propriétés de l'acier

L'acier si couramment utilisé grâce à ses propriétés matérielles spécifiques + coût relatif bas. Comparé à nombreux autres matériaux construction/outillage (bois, pierre, béton, fonte), alliages d'acier offrent :

• Dureté : résistance à l'indentation sous pression croissante
• Ténacité : quand matériau se déforme, ténacité = jusqu'où avant fracture
• Limite d'élasticité (Yield strength) : résistance au changement forme sous traction croissante
• Résistance à la traction : capacité à supporter traction avant rupture
• Malléabilité : capacité être façonné par martelage/pressage sans casser
• Ductilité : capacité être façonné sans perdre ténacité — travailler métal le rend souvent plus cassant, mais matériaux ductiles ne s'embrittlent pas aussi vite.

L'étendue testée de ces propriétés varie entre alliages, mais globalement, l'acier parvient à être à la fois plus dur et plus tenace (moins cassant) que beaucoup d'autres matériaux.

Types d'acier

Quatre grands groupes d'alliages d'acier : carbone, outils, alliages, inoxydables.

• Acier au carbone — Doux, moyen, haut carbone varient surtout par dureté et ductilité. Bas carbone = plus ductile, mais dureté lower. Haut carbone = plus dur, mais ductilité lower.
• Acier à outils — Haut carbone + éléments (tungstène, vanadium, molybdène), traité thermiquement et trempé pour dureté supérieure, utilisés pour aciers à outils.
• Acier allié — Famille généralement = aciers mélangés avec éléments spécifiques pour propriétés extraordinaires, hors familles communes. Tous aciers sont alliages et beaucoup ont éléments extra. Mais aciers alliés = aciers inhabituels pour application spécifique, formulations valeur à alliages exotiques pour moteurs à réaction.
• Acier inoxydable — Alliés avec chrome pour résistance rouille par passivation.

Production d'acier : une histoire de recyclage

Meilleure caractéristique de l'acier (et autres métaux) : la ferraille devient métal neuf, haute qualité. Secondaire steelmaking crée alliages aussi bons que depuis fonte brute. Objets métalliques se dégradent à l'usage, mais chimie élémentaire = fonte + alliage = produit totalement neuf.

Croissance production acier ne demande pas croissance correspondante fonderie nouveau minerai (bien que production fonte brute reste vitale chaîne approvisionnement). Récupération et traitement ferraille = panneau auto d'hier → poutre I de demain.

Avec 98 % acier récupérable, métal = un des produits les plus recyclables au monde. Pas sans défi environnemental. Coke (charbon) = apport carbone usual. Haute énergie pour fondre/réduire + oxydation + autres processus = produits chimiques et CO₂. Heureusement, beaucoup recherche dans sidérurgie pour atténuer. Certains : recycler CO₂ dans l'acier lui-même comme source carbone, réduire besoin coke.

Avec ces technologies affinées et implémentées, sidérurgie continuera industrie majeure du futur. Elle sous-tend, propulse, construit notre économie.