Fer : propriétés, histoire et applications quotidiennes

Contexte

Le fer est l'un des éléments les plus communs sur terre. Presque toute construction humaine contient au moins un peu de fer. C'est aussi l'un des métaux les plus anciens et fut façonné pour la première fois en objets utiles et ornementaux il y a au moins 3 500 ans.

Le fer pur est un métal mou, blanc grisâtre. Bien que le fer soit un élément commun, le fer pur est presque jamais trouvé dans la nature. Le seul fer pur connu pour exister naturellement provient de météorites tombées. La plupart du fer se trouve dans des minéraux formés par la combinaison du fer avec d'autres éléments. Les oxydes de fer sont les plus courants. Ces minéraux près de la surface de la terre qui ont la plus haute teneur en fer sont connus comme minerais de fer et sont extraits commercialement.

Le minerai de fer est converti en divers types de fer par plusieurs processus. Le processus le plus courant est l'utilisation d'un haut fourneau pour produire de la fonte qui contient environ 92-94 % de fer et 3-5 % de carbone avec de plus petites quantités d'autres éléments. La fonte a seulement des usages limités, et la plupart de ce fer passe à une aciérie où il est converti en divers alliages d'acier en réduisant davantage la teneur en carbone et en ajoutant d'autres éléments comme le manganèse et le nickel pour donner à l'acier des propriétés spécifiques.

Histoire

Les historiens pensent que les Égyptiens furent les premiers à travailler de petites quantités de fer, il y a cinq ou six mille ans. Le métal qu'ils utilisaient provenait apparemment de météorites. Des preuves de ce qui est considéré comme le premier exemple d'extraction et de fusion du fer pointent vers l'ancienne culture hittite dans ce qui est maintenant 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 jalousement gardé. Cependant, la technique de base était simple, et l'utilisation du fer se propagea graduellement. Aussi utile qu'il fût comparé à d'autres matériaux, le fer avait des inconvénients. La qualité des outils faits à partir de lui était hautement variable, dépendant de la région d'où le minerai de fer provenait et de la méthode utilisée pour extraire le fer. La nature chimique des changements survenant pendant l'extraction n'était pas comprise ; en particulier, l'importance du carbone pour la dureté du métal. Les pratiques variaient largement dans différentes parties du monde. Il y a des preuves, par exemple, que les Chinois furent capables de fondre et couler des outils en fer très tôt, et que les Japonais produisirent des résultats étonnants avec l'acier en petites quantités, comme en témoignent des épées héritées remontant à des siècles. Des percées similaires furent faites au Moyen-Orient et en Inde, mais les processus n'émergèrent jamais vers le reste du monde. Pendant des siècles, les Européens manquèrent de méthodes pour chauffer le fer au point de fusion. Pour produire du fer, ils brûlaient lentement le minerai de fer avec du bois dans un four revêtu d'argile. Le fer se séparait de la roche environnante mais ne fondait jamais complètement. Au lieu de cela, il formait une croûte de scories qui était enlevée par martelage. Ce processus répété de chauffage et martelage mélangeait l'oxygène avec l'oxyde de fer pour produire du fer, et enlevait le carbone du métal. Le résultat était du fer presque pur, facilement façonné avec marteaux et tenailles mais trop mou pour prendre et garder un bon tranchant. Parce que le métal était façonné, ou forgé, par martelage, il vint à être appelé fer forgé.

Des outils et armes rapportés en Europe depuis l'Orient étaient faits d'un fer qui avait été fondu et coulé en forme. Retenant plus de carbone, la fonte est plus dure que le fer forgé et gardera un tranchant. Cependant, elle est aussi plus cassante que le fer forgé. Les ouvriers du fer européens savaient que les Orientaux avaient un meilleur fer, mais pas les processus impliqués dans la fabrication de produits en fer plus forts. Des nations entières lancèrent des efforts pour découvrir le processus.

La première percée européenne connue dans la production de fonte, qui mena rapidement au premier acier pratique, ne vint qu'en 1740. Cette année-là, Benjamin Huntsman déposa un brevet pour la fusion de matériau pour la production de ressorts en acier à utiliser en horlogerie. Au cours des 20 années suivantes, la procédure devint plus largement adoptée. Huntsman utilisa un haut fourneau pour fondre du fer forgé dans un creuset en argile. Il ajouta ensuite des quantités soigneusement mesurées de charbon de bois pur au métal fondu. L'alliage résultant était à la fois fort et flexible quand coulé en ressorts. Puisque Huntsman s'intéressait à l'origine seulement à faire de meilleures horloges, son acier au creuset mena directement au développement de chronomètres nautiques, qui, à leur tour, rendirent la navigation mondiale possible en permettant aux marins de déterminer précisément leur position est/ouest. Le fait qu'il avait aussi inventé la métallurgie moderne était un effet secondaire qu'il ne remarqua apparemment pas.

Matières premières

Les matières premières utilisées pour produire de la fonte dans un haut fourneau sont minerai de fer, coke, sinter et calcaire. Les minerais de fer sont principalement des oxydes de fer et incluent magnétite, hématite, limonite, et bien d'autres roches. La teneur en fer de ces minerais varie de 70 % jusqu'à 20 % ou moins. Le coke est une substance faite en chauffant du charbon jusqu'à ce qu'il devienne presque du carbone pur. Le sinter est fait de minerai de fer de qualité inférieure, finement divisé, qui est rôti avec du coke et de la chaux pour enlever une grande partie des impuretés du minerai. Le calcaire se trouve naturellement et est une source de carbonate de calcium.

D'autres métaux sont parfois mélangés avec le fer dans la production de diverses formes d'acier, comme le chrome, nickel, manganèse, molybdène et 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 enlever la plupart des impuretés.

Extraction

• 1 Une grande partie du minerai de fer mondial est extraite par exploitation à ciel ouvert dans laquelle la surface du sol est enlevée par de lourdes machines, souvent sur une très grande zone, 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 galeries latérales pour suivre la couche de minerai.

Raffinage

• 2 Le minerai extrait est concassé et trié. Les meilleurs grades de minerai contiennent plus de 60 % de fer. Les grades inférieurs sont traités, ou raffinés, pour enlever divers contaminants avant que le minerai ne soit expédié au haut fourneau. Collectivement, ces méthodes de raffinage sont appelées enrichissement et incluent concassage supplémentaire, lavage à l'eau pour faire flotter sable et argile, séparation magnétique, pelletisation et frittage. À mesure que l'approvisionnement mondial connu 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 alors chargé sur trains ou navires et transporté vers le site du haut fourneau.

Le processus de fabrication

Chargement du haut fourneau

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

Séparation du fer des scories

• 2 Le fer fondu coule au fond du fourneau. Le calcaire se combine avec la roche et autres impuretés dans le minerai pour former des scories qui sont plus légères que le fer et flottent sur le dessus. À mesure que le volume de la charge diminue, on en ajoute continuellement au sommet du fourneau. Le fer et les scories sont tirés séparément du bas du fourneau. Le fer fondu peut aller vers un processus d'alliage ultérieur, ou peut être coulé en lingots appelés gueuses. Les scories sont emmenées pour élimination.

Traitement des gaz

• 3 Les gaz chauds produits dans les réactions chimiques sont tirés au sommet et acheminés vers une usine de nettoyage de gaz où ils sont nettoyés, ou lavés, et renvoyés dans le fourneau ; le monoxyde de carbone restant, en particulier, est utile aux réactions chimiques se déroulant dans le fourneau.

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

Contrôle qualité

L'opération du haut fourneau est hautement instrumentée et surveillée en continu. Temps et températures sont vérifiés et enregistrés. La teneur chimique des minerais de fer reçus des diverses mines est vérifiée, et le minerai est mélangé avec d'autres minerais de fer pour atteindre la charge désirée. Des échantillons sont prélevés à chaque coulée et vérifiés pour la teneur chimique et les propriétés mécaniques comme la résistance et la dureté.

Sous-produits / Déchets

Il y a beaucoup d'effets environnementaux possibles de l'industrie du fer. Le premier et le plus évident est le processus d'exploitation à ciel ouvert. De vastes étendues de terre sont mises à nu. Aujourd'hui, les sites miniers épuisés sont couramment utilisés comme décharges, puis recouverts et paysagés. Certaines de ces décharges elles-mêmes deviennent des problèmes environnementaux, car dans le passé récent, certaines furent utilisées pour l'élimination de substances hautement toxiques qui s'infiltrèrent 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 lavés et recyclés. Inévitablement, cependant, de petites quantités de gaz toxiques s'échappent dans l'atmosphère.

Un sous-produit de la purification du fer est la scorie, qui est produite en quantités énormes. Ce matériau est largement inerte, mais doit encore être éliminé dans des décharges.

La sidérurgie utilise d'énormes quantités de charbon. Le charbon n'est pas utilisé directement, mais est d'abord réduit en coke qui consiste en carbone presque pur. Les nombreux sous-produits chimiques du cokage sont presque tous toxiques, mais ils sont aussi commercialement utiles. Ces produits incluent l'ammoniac, utilisé dans une vaste gamme de produits ; le phénol, utilisé pour faire des plastiques, huiles de coupe et antiseptiques ; les crésols, qui entrent dans les herbicides, pesticides, produits pharmaceutiques et produits chimiques photographiques ; et le toluène, qui est un ingrédient dans de nombreux produits chimiques complexes comme solvants et explosifs.

La ferraille de fer et d'acier — sous forme de vieilles voitures, appareils et même bâtiments entiers à structure métallique — sont aussi une préoccupation environnementale. La plupart de ce matériau est recyclé, cependant, car la ferraille d'acier est une ressource essentielle en sidérurgie. La ferraille non recyclée finit par se transformer en oxyde de fer, ou rouille, et retourne au sol.

L'avenir

En surface, l'avenir de la production de fer — surtout aux États-Unis — semble troublé. Les réserves de minerai de haute qualité sont considérablement épuisées dans les zones où il peut être extrait économiquement. 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 de qualité inférieure beaucoup plus attrayante, et il y a un vaste approvisionnement de ce minerai. De nombreuses usines d'acier ont fermé ces dernières décennies, mais c'est largement parce qu'on en a moins besoin. L'efficacité des hauts fourneaux seuls s'est améliorée de façon remarquable. Au début de ce siècle, le plus grand haut fourneau aux États-Unis produisait 644 tonnes de fonte par jour. On pense que bientôt la production possible d'un seul fourneau atteindra 4 000 tonnes par jour. Puisque beaucoup de ces usines plus modernes ont été construites à l'étranger, il est devenu en fait plus économique dans certains cas d'expédier l'acier à travers l'océan que de le produire dans de vieilles usines américaines.