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Décarburation de la fonte en phase liquide

La décarburation de la fonte en phase liquide nécessite l'oxydation du carbone excédentaire contenu dans la fonte sous forme de carbure de fer (cémentite) ou de carbone dissous. L'oxydation d'une partie du carbone de la fonte en monoxyde de carbone (CO) (et éventuellement, mais dans une moindre mesure, en CO₂) se réalise selon deux principaux mécanismes chimiques distincts à deux endroits particuliers du four, avec différents agents oxydants (accepteurs d'électrons : O₂, Fe²⁺ et Fe³⁺) :

– En haut du four, par réaction avec l'oxygène de l'air circulant à la surface du bain de fonte liquide (puddlage sec et puddlage gras) :

2 C + O_2(gaz) → 2 CO_(gaz)

2 CO_(gaz) + O_2(gaz) → 2 CO_2(gaz)

– En bas du four, par réaction privilégiée du carbone dissout dans la fonte avec une couche de scories broyées, ou de minerais grillés, riches en oxyde de fer(II) (FeO) et en oxyde de fer(III) (Fe₂O₃) dont le lit recouvre et protège la sole du four (réaction surtout favorisée par le puddlage gras) :

C + FeO_(solide) → CO_(gaz) + Fe_(liquide)

CO_(gaz) + Fe₂O_3(solide) → CO_2(gaz) + 2 FeO_(solide)

CO_(gaz) + FeO_(solide) → CO_2(gaz) + Fe_(liquide)

La durée accrue du puddlage sec provoque également l'oxydation par l'oxygène de l'air d'une partie importante du fer (~ 50 %) présent dans la fonte :

2 Fe + O₂ → 2 FeO

Au départ de deux tonnes de fonte blanche, une tonne de fonte est ainsi sacrifiée (oxydation en FeO) pour obtenir seulement une tonne de fer métal. Cette quantité importante de FeO produite en cours d'opération de puddlage participe elle aussi à son tour à l'oxydation du carbone de la fonte, tant pour le puddlage sec que pour le puddlage gras. L'ajout volontaire, dès le départ, d'oxydes de fer sur le lit de la sole du four dans le cas du puddlage gras augmente significativement la contribution de la réaction d'oxydation du carbone par FeO et marqua un progrès important pour le procédé.

Le brassage manuel du bain liquide (puddlage sec) et le raclage du mélange pâteux de fonte et d'oxydes de fer sur la sole du four (puddlage gras) permettent le plus efficacement possible de tirer profit simultanément des deux réactions d'oxydation du carbone et surtout de les accélérer en s'affranchissant de la limitation de la vitesse de transfert des réactifs (carbone réducteur et O₂ + FeO oxydants).

Ces deux réactions d'oxydation du carbone (respectivement par O₂ et Fe²⁺) produisent essentiellement du monoxyde de carbone (CO) gazeux. Le CO étant un puissant gaz réducteur (diagramme d'Ellingham), son oxydation ultérieure en CO₂ peut également contribuer à réduire en fer métallique une partie des oxydes de fer présents dans le système.

Dans le cas du puddlage gras, les oxydes de fer (FeO, Fe₂O₃ ou Fe₃O₄) intervenant dans la conversion de la fonte en fer puddlé proviennent pour une partie dès le départ des matériaux tapissant la sole du four. Ce peut être un mélange de scories issues d'opérations de puddlage précédentes, de minerai de fer, et de chaux ajoutée comme fondant (flux) ou comme laitier pour extraire en phase liquide des impuretés (contenant surtout du phosphore et du soufre) présentes dans la fonte.

Dans le puddlage sec, comme dans le gras, une fraction importante de l'oxyde de fer provient également de la réaction d'oxydation du fer métal contenu dans la fonte liquide par l'oxygène de l'air présent à la surface du bain de fonte. Dans les deux cas, le bain s'enrichit en oxydes de fer au fil du temps, au fur et à mesure que la production de fer puddlé progresse.

Si l'on compare les similitudes et les différences entre les réactions chimiques de décarburation de la fonte se déroulant dans le puddlage sec et le puddlage gras, le tableau ci-dessous donne un aperçu général de la nature et de la répartition spatiale des espèces chimiques oxydant le carbone de la fonte :

Nature des espèces oxydantes actives pour la décarburation de la fonte et leur répartition dans le four de puddlage

Espèce chimique oxydant le carbone de la fonte	Localisation dans le four	Puddlage sec	Puddlage gras
O2 : oxygène de l'air	en surface du bain	Oui	Oui
FeO produit par l'oxydation du fer par l'O2 atmosphérique	dans la masse	Oui	Oui
Fe2O3 et FeO rajoutés au départ sous forme de scories	sur la sole	Non	Oui

Le but du brassage du bain liquide et du raclage de la sole du four est de répartir de la façon la plus homogène possible les espèces oxydantes (O₂, FeO et Fe₂O₃) dans le bain pour améliorer leur contact avec le carbone de la fonte liquide. Un meilleur mélange des réactifs a pour effet d'augmenter la vitesse des réactions d'oxydation du carbone et de favoriser son élimination sous forme de monoxyde de carbone (CO) gazeux avec les fumées du four.

Rhéologie du bain liquide

La mise au point empirique ainsi que les secrets qui entourent le savoir-faire du puddleur et la composition du bull-dog ont limité les efforts de modélisation physico-chimique du procédé. Les technologies de mesure des hautes températures étant apparues après la disparition du puddlage, la compréhension moderne des processus s'appuie sur des simulations simples dont les résultats concordent bien avec les descriptions d'époque. En particulier, le diagramme de phase fer-carbone permet de bien comprendre le comportement rhéologique de la charge pendant l'affinage.

Diagramme fer–carbone illustrant l'évolution de l'affinage d'une fonte à 2,8 % de silicium et 4 ,2 % de carbone.

Pendant la chauffe, l'atmosphère du four n'est pas oxydante (toutes les ouvertures étant fermées) et la composition chimique n'évolue donc pas sensiblement. L'affinage proprement dit commence ainsi lorsque la fonte est complètement liquide (point O sur le diagramme).

La fusion (segment OA), pendant laquelle le bain est brassé facilement, correspond à l'oxydation du silicium et, dans une moindre mesure, du carbone. Cette phase est marquée par le caractère très exothermique de l'oxydation du silicium qui va réchauffer significativement le bain :            Si + O₂ → SiO₂            chauffant le bain de plus de 250 °C pour une fonte à 2,8 % de silicium

Le bouillonnement (segment AB), est une phase de décarburation intensive. L'oxydation du carbone devient la réaction dominante. La température baisse car il s'agit d'une réaction endothermique :            FeO + C → Fe + CO           

Le comportement pâteux apparaît lorsque le premier grain de solide se forme (point B). La concentration en carbone baissant, le bain ne peut plus rester totalement liquide. Par contre, la solidification dégage de la chaleur : comme celle-ci est supérieure à la chaleur consommée par la réaction de décarburation, la température repart à la hausse. La composition chimique de chaque phase peut être déterminée par le diagramme fer-carbone : la composition du liquide bouge le long de la ligne du liquidus (ligne BC), tandis que la composition du solide suit le solidus (ligne B'C'). La composition moyenne de la charge correspond à la ligne BC', le point C' déterminant la teneur finale en carbone.

D'autres éléments interviennent : le four continue de chauffer, même si, à haute température, les meilleurs fours ne sont guère capables de faire mieux que compenser les pertes thermiques induites par les interventions du puddleur. Il ne faut pas non plus négliger l'influence des scories sur la rhéologie : le dégagement de monoxyde de carbone les fait mousser alors qu'avec la fin de la décarburation, elles perdent leur caractère mousseux. Lorsque l’affinage s'achève, il ne reste plus que deux phases : le métal solidifié et les scories liquides, que le cinglage va retirer.

Au début, dans le cas du puddlage sec, la fonte liquide riche en carbone est très fluide, sa viscosité diminue encore jusqu'à atteindre la composition du mélange eutectique (température de fusion de l'eutectique Fe – C : ~ 1148 °C à 4.3 % m de carbone), puis réaugmente au fur et à mesure que le bain s'enrichit en fer (Fe) à point de fusion plus élevé (la courbe rouge liquide/solide remonte significativement quand la teneur en carbone diminue en dessous de la valeur de celle de l'eutectique). De façon concomitante, une partie du fer s'oxyde également en FeO au contact de l'oxygène de l'air, ce qui contribue aussi à rendre le mélange plus pâteux. La température du four restant constante, à la fin de l'opération de puddlage, la viscosité du mélange (Fe – C – FeO) augmente considérablement et le bain en fusion devient nettement plus difficile à brasser.

Dans le cas du puddlage gras, il en va de même, mais la présence initiale de scories riches en oxydes de fer (Fe₂O₃ et FeO) sur la sole du four nécessite dés le départ un raclage plus énergique (ou plutôt, un « labourage » du lit de scories) afin de pouvoir bien mélanger la fonte et les scories oxydantes.

Les opérations de brassage et de raclage nécessitaient de fournir un effort mécanique important et étaient épuisantes pour les ouvriers également exposés à la chaleur intense du four.

Notes et références

Articles connexes

• Réduction directe
• Minerai de fer préréduit
• Histoire de la production de l'acier

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Notes et références

• (de) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en allemand intitulé « Kohleneisenstein » (voir la liste des auteurs).

Voir aussi

Articles connexes

• Procédé Kaldo
• Metallo-Chimique

Liens externes

• (en)Non-Cryogenic Air Separation Processes

[[Catégorie:Physico-chimie des interfaces]] [[Catégorie:Procédé de séparation]]

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en vrac…

Cette spécialisation des outils se généralise maintenant jusqu'aux filières, voire jusqu'à la stratégie des entreprises. Si la production d'acier inoxydable a été très vite distincte de celle des aciers courants, la spécialisation des aciéries est conditionnée par les progrès du transport : la production de ronds à béton consomme les ferrailles et alimente un marché cantonné à environ 200 km autour du four électrique. A l'inverse, la production de tôles fortes se concentre, au niveau mondial, dans quelques usines alimentées par hauts fourneaux.

nb: pour le % d'acier coulé à la coulée continue, voir ici

Four réverbère de Bessemer : « Such a furnace, with forced draught and a capacity of 10 tons, would undoubtedly have melted malleable iron or steel in a bath of pig iron, and have decarburised the latter to the desired extent; for I had, in fact, already fused steel, in a bath of pig iron, on the open hearth of this small reverberatory furnace; and as far back as January, 1855, I had claimed in my patent, "The fusion of steel in a bath of melted pig or cast iron in a reverberatory furnace, as herein described".
This was about ten years prior to the patent taken out by M. Emile Martin, and now generally known as the "Siemens-Martin process." This latter patent was obtained in England in the name of A. Brooman, the patent agent of Emile Martin, and is dated August 18th, 1865, or more than ten years after my patent of January 10th, 1855. M. Emile Martin in his patent says: "The manufacture is effected upon the principle of fusion of iron or natural steel in a bath of cast iron, maintained at a white heat in a reverberatory furnace, such as Siemens gas furnace."
I, however, desire to say that I make no claim to the prior invention of the Siemens-Martin process, nor do I assume that my patent of 1855 furnished any information which either of these gentlemen had availed themselves of, although my patent for melting steel in a bath of cast iron on the hearth of a reverberatory furnace had been granted, and the specification published, some nine years prior to M. Martin's application for his patent. But seeing how many years I was in advance of M. Martin, I feel perfectly justified in saying that the fusion of steel in a bath of pig iron on the open hearth of a reverberatory furnace, which I had patented and accomplished ten years prior to the Siemens-Martin patent, was, to use a favourite expression of Mr. Gladstone, "approaching within measurable distance" of that successful process known as the open-hearth manufacture of mild steel. »

arquebuse : L'arquebuse est importée au Japon en 1543, au début de l'époque du commerce Namban, par les Portugais sur l'île de Tanegashima, d'où elle tire son nom japonais. En l'espace d'un an, les forgerons japonais parviennent à reproduire le mécanisme et entament la production de masse des fusils. À peine cinquante ans plus tard, « les armes à feu étaient certainement plus communes au Japon que dans n'importe quel autre pays du monde »; les armées de ce pays sont équipées avec un très grand nombre d'armes à feu.

la révolution des minimills voir l'article de l'Usine Nouvelle

POSCO a démarré un FINEX, capacité 2 mt/a FINEX début 2014 à Pohang

À l'usine sidérurgique de Gary (en), l'U.S. Steel a remplacé, au début des années 1970, 30 fours Martin-Siemens par deux Q-BOP de 180 tonnes installés dans une halle Martin.

Après grillage, les minerais manganésifères de Lombardie sont exposés à l'air pendant plusieurs années. Il se couvrent d'une péllicule blanche de sulfate de magnésie qui est lessivée avec les pluies. Cette désulfuration ne garanti pas cependant le retrais du soufre contenu dans le sulfate de baryte.

Info sur les usines sidérurgiques françaises en 1894 [1], mais pas toujours au top coté mise à jour.

Comparatif des méthodes d'affinage d'acier naturel : préciser le type de minerai, le type de fonte, la zone géographique (mise au point / diffusion), la période d'utilisation, le type de produit, le nb de foyers/étapes, l'originalité éventuelle, la mise au mille…

Méthode carinthienne selon Gabriel Jars ici

Comparatif méthode wallonne / comtoise p. 105

Plan d'invest des usines françaises en 19145 : Casarotto p.458.

Stats de prods et éléments sur la crise de la sidérurgie.

À Neuves-Maisons, en 1986, la mise en oeuvre d’un four électrique à l’aciérie s’accompagne de l’automatisation intégrale de la coulée continue et donc d’une diminution importante du nombre de sidérurgistes. 560 ouvriers, employés et cadres travaillent désormais dans cette usine dont les effectifs dépassaient les 2800 personnes en 1983.

A Neuves-Maisons, la Société métallurgique de la Haute-Moselle employait en juillet 1883, pour ses mines et son usine 250 ouvriers alors que quelques années plus tard après l'accession au brevet de déphosphoration, le chiffre fut multiplié par 5.

En 1980, Usinor met en service à Neuves-Maisons deux nouveaux convertisseurs à l'oxygène de 125 tonnes chacun.

En 1987, un nouveau stand de métallurgie en poche est prévu à l'aciérie de Neuves-Maisons.

Histoire de Neuves-Maisons.

En septembre 1978, le plan de sauvetage prévoit que l’État prenne le contrôle des sociétés Usinor-Chatillon-Neuves-Maisons et Sacilor-Sollac par la transformation des créances en participations au capital des deux sociétés[…] les mesures sont drastiques : 21 750 suppressions d’emplois sont prévues entre avril 1979 et décembre 1980, parmi lesquelles 8 500 chez Sacilor-Sollac (mais sans fermeture d’installations) et 12 500 à Usinor dont 5 000 à Denain et 6 500 à Longwy, tandis que l’aciérie à oxygène, promise à Longwy, est finalement construite à Neuves-Maisons.[…] le choix de Neuves-Maisons suscite des critiques chez les cadres d’Usinor jusqu’au directeur du site de Longwy qui est déplacé en mai 1979. Au RPR également, des élus lorrains, notamment Pierre Messmer, critiquent les sept milliards engloutis dans une liquidation dont 10 % seulement auraient suffi à une modernisation des installationsLES OUVRIERS DE DENAIN ET DE LONGWY FACE AUX LICENCIEMENTS (1978-1979)

Longwy : Monographie 50 ans de Longwy [2] et descriptif associé à la médaille d'or de l'exposition de 1890.

Gorcy : descriptif associé à la médaille d'or de l'exposition de 1890

Minimills de Bonnières sur Seine (ITON), Porcheville (ALPA), Toulon (SAS), Montereau (SAM). MSI de Toulon (SAS) et Montereau (SAM) en 1975.

L'arrêt de l'usine (train fers marchands) de Homécourt (290 personnes) est fixé au 1er septembre 1983. Ce laminoir produit 110 000 tonnes de rond par an. Liquidation de Homécourt : voir Casarotto p 553-561 et la CECA. Voir plans sur Stahl und Eisen 1916.

Micheville et Pompey s'équipent tous deux d'une aciérie Thomas en 1895, un an après que le brevet soit tombé dans le domaine public. Liquidation de Micheville : voir Casarotto p 553-561.

Un démarrage de HF à Pompey [3]

Les hauts fourneaux de Maizières en 1921, décrits comme annexes de Rombas dans Le Génie Civil de 1921. L'usine et leur mine est au chômage pendant plus de 1,5 an en 1922 (Casarotto p. 398), description brève dans Stahl und Eisen de mai 1923

Usine de Neunkirchen ici et là. L'agglo et la PMM sont détaillé dans le Stahl und Eisen de sept 1931

Usine de Thionville, l'ancienne Carlshütte, est reprise par Hermann Röchling alors qu'il en avait eu un dédommagement (Casarotto p.440). Voir une brève mention dans le Génie Civil qui se réfère à un article du Stahl und Eisen. Article similaire dans Stahl und Eisen.

Rombas, description assez détaillée dans Stahl und Eisen de mai 1923 (photos déjà sous Commons)

Fos-sur-Mer voir Casarotto p.545-547, CECA en 1981 et CECA en 1982, un article d'époque

Campagnes des HFx de Solmer détaillées par Broda, Demailly et Labruyère.

Industrie à Marseille et dans l'Etang de Berre : La crise des années 1960-1970 est liée, en premier lieu, à la décolonisation. Jusqu'en 1968, consciente des enjeux de la mondialisation qui la désavantage, l'industrie marseillaise traîne à se réorganiser. La croissance démographique et économique générale masque la crise qui s'installe. En 1969-1970 le Livre Blanc propose un nouveau schéma d'organisation qui englobe l'arrière-pays marseillais. Les « milieux professionnels de la sidérurgie française qui ont compris, dès la fin des années 40, que l’avenir était aux usines sidérurgiques sur l’eau, qui en ont implanté une première à Dunkerque et qui s’acheminent peu à peu vers la reconversion lorraine et la création d’un deuxième site productif littoral » et la vision de « l’Etat, portée par la Datar et conçue avec les grandes firmes nationales, vise à créer aux portes de l’une des huit métropoles d’équilibre un pôle de croissance fondé sur la concentration de plusieurs grands établissements de sidérurgie, de pétrochimie et de chlorochimie : un pôle de croissance destiné à susciter à la fois une dynamique d’industrialisation dans l’ensemble du sud-est français et à participer de manière motrice au renouveau des échanges économiques méditerranéens auquel beaucoup veulent croire au début des années 70.[…] Il s’agit en somme de faire de Marseille à la fois une ville tertiaire internationale et la Rotterdam du sud. »L'aire métropolitaine marseillaise et les territoires de l'industrie, 2004, Jeanbenoit Zimmermann, Jacques Garnier

Ardoise sur les raison de l'adoption de l'AOD

Aciéries et Laminoirs de Rives : raisons de la modernisation

Creusot : description de l'Aciérie du Breuil et des HFx.

SMN : description de l'usine.

Knutange : description de Knutange sur Stahl und Eisen 1905 (photos déjà sous Commons)