La fonte

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La fonte

  1. 1. Procéder de fabrication de la fonteSommaire : Histoire du fer : ................................................................................................................................... 31. INTRODUCTION : ..................................................................................................................... 52. COMPOSITIONS DES FONTES : ............................................................................................. 63. MINERAI : .................................................................................................................................. 84. LE MINERAI DE FER : ............................................................................................................. 85. EXTRACTION DES METAUX (ELABORATION DES METAUX) :...................................... 96. ÉLABORATION DES METAUX FERREUX: ......................................................................... 107. LES FONTES : .......................................................................................................................... 10 7.1. MATIERES PREMIERES :................................................................................................................. 11 7.2. LE MINERAI DE FER : ............................................................................................................... 11 7.3. LES FONDANTS :....................................................................................................................... 12 7.4. LE COKE : ................................................................................................................................ 128. INSTALLATION SIDERURGIQUE : ...................................................................................... 139. PREPARATION DES PRODUITS DESTINES POUR LE HAUT FOURNEAU : ................. 1510. LE FONCTIONNEMENT D’UN HAUT FOURNEAU : ..................................................... 1511. LES FONTES DU HAUT FOURNEAU : ............................................................................. 1912. FORMATION DU LAITIER : .............................................................................................. 20CONCLUSION : ................................................................................................................................ 20BIBLIOGRAPHIES: ......................................................................................................................... 21 Page 1
  2. 2. Procéder de fabrication de la fonte Page 2
  3. 3. Procéder de fabrication de la fonteHistoire du fer : Le fer existe partout à l’état d’oxyde. C’est même le métal dur le plus courant etle plus répandu dans la nature. Dès que les premiers hommes apprennent à faire du feu,ils réalisent des fours et ne tardent pas à y produire du fer. L’âge du fer (qui succède àl’âge du bronze) voit naître les premières civilisations dont il devient le symbole et levecteur premier. L’archéologie moderne a montré que les anciens Chinois (4500 ans A.JBP), les Egyptiens (4000 ans A.J BP), les Chaldéens, les Grecs et les Romains del’Antiquité (2500 ans A.J BP) forgeaient, fondaient et soudaient le fer. Son commerce,sous forme d’objets, devait couvrir l’ensemble du continent européen (le fer est laculture de base des Celtes), du Proche-Orient, de l’Asie et des bords de la Méditerranée.Le mot « acier » vient du latin et désigne un fer coupant, « acéré ». Pendant des siècles, de l’antiquité aux temps modernes, le fer est produit sousforme malléable à basse température (moins de 900 °C) dans des fours simples (basfoyer) et si on le distingue de l’acier par ses qualités de tranchant, il est produit de lamême façon. Au 12ème siècle apparaît près de Liège en Belgique un procédé nouveaud’obtention du fer par retraitement (affinage) d’une première fonte, qui donne aussi del’acier. Le procédé se répand en Styrie et Carinthie (Autriche). Au 12ème siècle, lesChartreux en Savoie (limite de la France, de la Suisse, de l’Allemagne et de l’Italie)développent une véritable industrie du fer. L’invasion arabe en Espagne (du 7ème au11ème siècle) permet le perfectionnement de l’industrie du fer ibérique déjà réputé, et quidonne son nom au procédé primitif d’obtention de l’acier : la forge catalane. Lecommerce de la fonte et des objets de fer (épées) se répand à travers toute l’Europe au15ème siècle. Les anciens supputent que l’acier est un fer dur aux molécules réarrangées enrangs serrés. Pour les armes, on recherche à la fin du Moyen Age les meilleursgisements et certains fondeurs sont connus pour leur art de réaliser des piècesremarquables. Les meilleurs aciers au Moyen âge sont ceux d’Espagne (Tolède) et deSyrie (Damas). Les Wallons (limite de la France, de la Flandre, de l’Angleterre et del’Allemagne) transportent au 16ème siècle leur industrie sidérurgique en Scandinavie. Au siècle suivant, ce sont les fers d’Allemagne, du Piémont, de Hongrie, deStyrie, puis au 18ème siècle ceux de Suède qui donnent le meilleur acier. En France onproduit du fer depuis toujours. Au siècle des lumières, à la demande du roi, d’éminentschimistes comme Réaumur (1683-1757), Berthollet et Monge constatant que lesmeilleurs aciers doivent être importés, les gisements sur notre sol étant très phosphorés,mettent au point par des essais laborieux de nouveaux procédés d’obtention d’acier parcémentation et trempe (1722). Au 18ème siècle, aux gisements de l’Ardèche, de la Dordogne, de l’Hérault, duGard, de l’Indre, du Lot, du Lot-et-Garonne et du Tarn s’ajoutent de nouveauxgisements riches en fer, situés dans le bassin de l’Ouest de la France (Normandie et Page 3
  4. 4. Procéder de fabrication de la fonteMaine) et ceux de la chaîne pyrénéenne (Ariège). A la fin du XVIIIe siècle se diffuse unnouveau procédé : l’affinage de la fonte au four à puddler par une scorie basique. C’est au 19ème siècle que les procédés industriels d’obtention du fer et de l’acierfont leur apparition, avec l’affinage par air pulsé (pneumatique) inventé en 1855 parl’ingénieur Anglais Henry Bessemer, l’affinage au four à air pulsé et à gaz de Wilhelmvon Siemens (1823- 1883) inventé en 1858, puis l’affinage déphosphorant mis au pointen 1876 par l’Anglais Sidney Gilchrist Thomas (1850-1885), qui permettent à la fois decouler de gros lingots, de produire massivement le fer et l’acier, et surtout d’effacer lehandicap des fers français, très phosphorés et impropres à la production d’acier. En1865, l’ingénieur français Pierre Martin (1824-1915) améliore le procédé Siemens avecun four à sole montant à 1700°C fusionnant de la fonte et du minerai de fer et desferrailles.Avec les convertisseurs Thomas et Martin, la production de fer et d’acier en Europe faitaussitôt un bond en avant spectaculaire (voir tableau.1). Dès le milieu du 19ème siècle, les économistes remarquent que les paysproducteurs de fer sont aussi les plus riches : Etats-Unis, Allemagne, Angleterre etFrance. Sans le fer, que seraient les outils, les machines à vapeur, le réseau ferré, lesponts, les superstructures des grands magasins et des halles modernes, l’automobile ?La marine de guerre impose le fer après la guerre de Crimée (1853-1856). Utilisé dansl’armement, dans les moteurs à vapeur et à essence, l’acier devient un matériaustratégique. Auteur à succès, Jules Verne comprend et dénonce l’hégémonie du fer etses applications militaires dans son roman Les 500 millions de la Bégum (tabteau.1) . Tableau.1 : Production française de fer. (Source : Larousse de l’industrie). Par suite des investissements lourds réalisés dans l’extraction du minerai, laproduction mondiale de minerai de fer passe de 28 millions de tonnes en 1870 à 139millions de tonnes en 1913. Les pays développés se couvrent de hauts-fourneaux. En1910, la France devient le quatrième pays extracteur et producteur de fer au monde,derrière les Etats-Unis, l’Allemagne et la Grande- Bretagne (Irlande comprise), devantla Russie, l’Espagne et la Suède. Sa production étant basée à 90 % sur les minerais Page 4
  5. 5. Procéder de fabrication de la fontephosphoreux (1,70 % de phosphore par rapport au fer) venant en totalité du bassin deLorraine (ouvert en 1859), il est nécessaire de les traiter au four Thomas. C’est la raisonpour laquelle la France ne produit en 1910 que huit fois moins d’acier que les Etats-Unis, quatre fois moins que l’Allemagne, deux fois que la Grande-Bretagne et doitimporter de l’acier d’Allemagne, d’Espagne et de Suède pour l’industrie automobile etl’aviation naissante. En 1910, les Etats-Unis produisent 27,4 millions de tonnes de fonte et mieux,fabriquent 36,5 millions de tonnes de fer et d’acier. Avant 1910, le fer est prépondérant,ensuite c’est l’acier qui est recherché. [1]. 1. Introduction : La fonte est un matériau obtenu par la cuisson de différentes éléments (cock,minerais, calcaire) dans des proportions exigées pour extraire le maximum de fercontenu dans les minerais. Un haut-fourneau est un four à combustion interne, destiné à la fabrication de lafonte à partir du minerai de fer. Cette fonte est par la suite affinée par chauffage(décarburation) ce qui permet de produire de la fonte et ses dérivés ferreux. Les fontes sont toutes des alliages destinés à la fonderie. Elles se distinguent desautres alliages par leur excellente coulabilité (ce terme regroupe linertie thermique et lafluidité de lalliage en fusion, il est mesuré de façon normalisée par une éprouvette encolimaçon de section triangulaire). [2]. La fonte a une température de fusion allant de 1 135 °C à 1 350 °C, essentiellementen fonction du pourcentage de carbone et de silicium quelle contient. Lorsquelle est enfusion, sa teneur maximale en carbone dépend de sa température. Au moment de lasolidification, la quantité de carbone précipitant sous la forme de graphite dans lamatrice métallique dépend des autres éléments présents (essentiellement le silicium) etdes vitesses de refroidissement. [2]. Elle peut être un précurseur dans la fabrication de lacier à partir de minerai de fer.Cest lalliage qui sort du haut fourneau et qui sera affiné en acier (par décarburation).On lappelle alors fonte brute, pour la distinguer de la fonte de fonderie, généralementissue dune fusion au cubilot, de composition déterminée, et destinée à la production depièces moulées. [2]. Les fontes sont utilisées pour tout type de pièce mécanique. Pour leur majorité lespièces sont obtenues par coulée du métal liquide dans des moules en sable siliceux. La fonte, et particulièrement la fonte FGS, est très utilisée par lindustrieautomobile pour la fabrication, par moulage puis usinage partiel, des blocs moteur, desétriers et chapes de frein à disque, des tambours de freins ou encore des volantsmoteurs, organes de suspension, arbre à came, vilebrequin etc. Page 5
  6. 6. Procéder de fabrication de la fonte La fonte FGL est utilisée pour la fabrication de disques de freins, contrepoids(chariot élévateur), pour la réalisation déléments de chauffage, particulièrement ceux dehaut de gamme. La fonte FGL est incontournable pour la réalisation des plaques de cheminée etdinserts de cheminée. La fonte FGS est particulièrement utilisée en éléments de voirie comme lesgrilles et regards dassainissement (grille dégout) Les fontes FGS et FGL sont utilisées pour la réalisation de mobiliers urbainscomme les bancs et les rambardes ouvragées (Bouches de métro Guimard), et enornementation de bâtiments comme les appuis de fenêtre, les rosaces de portail, les picsde grille. Là, la FGS est appréciée pour sa soudabilité. La fonte FGL est utilisée pour la fabrication de conduites et de tuyaux. Àl’exclusion, depuis quelques années, des conduites de gaz de ville car elle est tropcassante vis-à-vis des sollicitations du trafic des véhicules lourds et particulièrementlors de l’utilisation de rouleaux compresseurs à vibration par les travaux de voirie. La fonte FGL est préférée pour la réalisation des bâtis de machines-outils carelle a une très bonne capacité dabsorption des vibrations.Dans notre travail nous allons présenter le procéder de fabrication de la fonte dès lesmatières premières aux produits de haut fourneau. 2. Compositions des fontes : Dun point de vue chimique, les fontes sont des alliages fer-carbone contenant unephase eutectique, appelée lédéburite. Sur le diagramme de phase fer-carbone métastable,il sagit donc des alliages fer-carbone ayant plus de 2,11 % de carbone (mais cediagramme nest plus valable en présence déléments dalliage). [2]. On distingue les différentes fontes par leur pourcentage de carbone. Dans le cas dunalliage pur de fer et de carbone (cas théorique car la fonte contient toujours du siliciumet du manganèse en quantités non négligeables), on relève les seuils suivants :  fonte hypoeutectique : de 2,11 à 4,3 % de carbone.  fonte eutectique : 4,3 % de carbone.  cette fonte a la température de fusion la plus basse à 1 148 °C.  fonte hypereutectique : de 4,3 à 6,67 % de carbone. Page 6
  7. 7. Procéder de fabrication de la fonteFigure.1 : Diagramme de phase fer-carbone, permettant de visualiser la zone de définition des fontes. [2] Les aciers cristallisent dans le diagramme fer-carbone métastable fer-cémentite(représenté ci-contre), bien que ce soit le graphite qui soit thermodynamiquement stable: la cémentite devrait se décomposer en : Fe3C → 3Feα + C (graphite)Mais la mobilité des atomes de carbone nest pas suffisante pour que cela ait lieu. [2]. Le cas est différent pour les fontes qui ont une teneur plus importante encarbone, et peuvent ainsi cristalliser dans le diagramme fer-carbone stable : fer-graphite.La différence entre ces 2 diagrammes réside en premier lieu dans la vitesse derefroidissement : quand la vitesse de refroidissement est rapide, le carbone dissous dansle fer γ na pas le temps de migrer sur de grandes distances et forme des carbures Fe3C,la cémentite, sur place; alors que si la vitesse de refroidissement est assez lente, lecarbone peut se « rassembler » et former du graphite. Certains éléments comme lesilicium permettent de favoriser la formation de graphite. Sur le diagramme fer-carbone stable, leutectique est à une teneur de 4,25% decarbone, et fond à une température de 1 153 °C. [2]. On a donc deux types de fontes :  les fontes blanches, à cémentite.  les fontes grises, à graphite. Page 7
  8. 8. Procéder de fabrication de la fonte 3. Minerai : Généralement tous les métaux ne se trouvent pas à létat natif (état pur) dans lanature, mais sous forme de roche, terre appelée minerai, seuls quelques métaux (Au, Ag,Hg) peuvent se trouver à létat pur. Le minerai est une combinaison dun métal ou de plusieurs métaux avec dautreséléments tels que 02, C, N2, P, S etc... En plus il contient de leau dhydratation. Le minerai est une substance minérale qui baigne dans une substance stérile appeléegangue. Les minerais quon rencontre dans la nature sont sous forme doxydes (Fe203),carbonates (CaCo3), sulfures (PbS) ou silicates (Al4(SiO4)). La possibilité dexploitation économique dun minerai dépend de la teneur du métalde base, de labondance ou de la rareté du métal. Industriellement on qualifie de minerai tout produit minéral dont on peut extraire unmétal ou un alliage à un prix de revient convenable. Le mot minerai est donc un termeéconomique et non minéralogique, la teneur minimale des minerais exploitables dépendessentiellement de la valeur du métal. Ainsi un quartz aurifère contenant 20g dor à latonne est considéré comme un minerai riche alors quune roche à 20% de fer (teneur10.000 fois plus grande) nest pas exploitée en général. Avant lextraction du métal de son minerai, ce dernier subit une préparation aupréalable qui consiste à :  Concassage des gros morceaux à laide de concasseur rotatif, à mâchoires ou à marteaux.  Broyage pour obtenir du minerai encore plus fin.  Triage, lavage du minerai par flottation (enrichissement). 4. Le minerai de fer : Est une roche contenant du fer, généralement sous la forme doxydes, commelhématite. Les minerais de fer ont une teneur en fer variable selon le minéral ferrifère,sachant également que l’isomorphisme, presque toujours présent dans les minérauxnaturels, réduit la teneur théorique Minerai de fer (tableau.2) : Minéral Formule Contenu théorique en fer dans le minéral Contenu théorique en fer après calcination chimique (en %) (en %) hématite Fe2O3 69,96 69,96 magnétite Fe3O4 72,4 72,4magnésioferrite MgO·Fe2O3 56-65 56-65 goethite Fe2O3·H2O 62,9 70 hydrogœthite 3Fe2O3·4H2O 60,9 70 limonite 2Fe2O3·3H2O 60 70 sidérite FeCO3 48,3 70 pyrite FeS2 46,6 70 Page 8
  9. 9. Procéder de fabrication de la fonte pyrrhotite Fe1-xS 61,5 70 ilménite FeTiO3 36,8 36,8 Tableau.2 : les différents minerais de fer et leur teneur en Fe (%).[3]. Les oxydes qui forment la gangue vont évidemment diminuer la teneur en ferdes minerais employés. Par rapport à leur teneur en fer, les minerais sont classés en. [3]:  minerais pauvres : Fe <= 30 %  minerais moyens : Fe = 30 % ÷ 50 %  minerais riches : Fe > 50 %La teneur en fer des minéraux natifs est comprise entre des limites approximatives. [3]:  Minéraux magnétiques : Fe entre (50 ÷ 67) %  minéraux d’hématite : Fe entre (30 % ÷ 65) %  minéraux de limonite : Fe entre (25 % ÷ 45) %  minéraux carbonates : Fe entre (30 % ÷ 40) % 5. Extraction des métaux (élaboration des métaux) : Pour extraire les métaux des minerais, on applique des opérations de traitementsthermiques ou chimiques lutilisation de lune ou de lautre dépend de la compositionchimique du minerai et de la nature de sa gangue. En général les traitements se font dans des fours portés à haute température.Lopération consiste à assurer dune part la fusion du minerai et dautre part léliminationdes éléments non désirés grâce au contact avec des agents ajoutés volontairement. Les périodes les plus importantes lors de ses opérations sont :  La réduction appliquée au minerai du type oxyde, sous leffet de la chaleur, le carbone et loxyde se combinent en libérant le métal et le gaz carbonique, par exemple dans le cas du fer : Fe203 + 3 CO —► 2Fe + 3 C02  Le grillage : consiste à chauffer à Pair les minerais de type sulfures. Par cette opération, les sulfures se transforment en oxydes.  La calcination consiste à chauffer à labri de lair les minerais de types carbonates. Par cette opération les carbonates se transforment en oxydes, par exemple : CaCO3 —► CaO + CO2 Les oxydes obtenus par les méthodes de grillage et de calcination sont ensuitetraités par la méthode de réduction afin dextraire le métal. Certains métaux élaborés nesont pas purs et doivent subir des opérations de raffinage chimique ou électrochimique. Page 9
  10. 10. Procéder de fabrication de la fonteLes métaux obtenus sont ensuite préparés sous diverses formes commerciales par lesprocédés suivants : déformation plastique, laminage, étirage et moulage. 6. Élaboration des métaux ferreux: Parmi les éléments chimiques connus 70% sont des métaux. Les métaux nexistentpas à létat pur dans la nature, mais sous forme de combinaisons chimiques, uniquementdans certains cas le cuivre, largent et l’or se trouvent à létat pur cest à dire à létatmétallique. Les éléments ne sont pas répartis dune façon homogène dans les différentes régions.On peut rencontrer différentes compositions chimiques et différentes concentrations deséléments dune région à une autre. Donc les métaux sont rencontrés sous formes deminerais qui sont des minéraux ou mélange de minéraux à partir desquels on peutextraire un ou plusieurs métaux par les différents procédés métallurgiques. Les minerais sont exploités de leurs gisements par exploitation à ciel ouvert ousouterraine et avant dêtre acheminés vers les usines métallurgiques subissent desopérations de préparation tels que le concassage, broyage, tamisage, enrichissement etc..Selon lénergie et lagent réducteur employés pour extraire le métal de ses minerais(élaboration du métal), on distingue :  Procédé métallurgique par voie ignée (thermique) fusion et réduction du minerais, lagent réducteur le plus employé est le carbone (C) ou le CO.  Procédé par électrolyse en fusion. Les constructeurs préfèrent les aciers et les fontes aux autres métaux, avant tout cestà cause de leur prix bas. Cette baisse de prix est due aux abondances de gisements deminerais de fer dans la nature (lécorce terrestre en contient 5%), ainsi que dans lateneur en fer dans les minerais, certains minerais contiennent jusquà 70% de fer. Le fer et ses alliages sont obtenus par des opérations métallurgiques, qui ont pourbut dextraire le métal (fer) à partir de son minerai. Ces opérations se déroulent dans desfours ou convertisseurs lélaboration du métal comporte deux phases essentielles :  extraction du métal à partir du minerai on obtient un produit brut appelé Fonte.  Affinage du produit brut (Fonte) afin dobtenir un second produit prêt à lutilisation appelé (Fer). 7. Les fontes : La fonte en sidérurgie est un alliage du fer et de (2.1 à 6.67)% de carbone (6.67%étant le maximum), elle se distingue des aciers par le taux de carbone, ce dernier dans lafonte il peut être sous deux forme graphite ou cémentite(Fe3C) selon la vitesse derefroidissement. Page 10
  11. 11. Procéder de fabrication de la fonte Le moyen principal utilisé pour lélaboration de la fonte est le haut fourneau, danslequel se déroule le processus métallurgique de réduction, fusion, ainsi que lacarburation du fer. Le but principal du haut fourneau est dextraire le métal (fer) de son minerai et saséparation de la gangue. Les matières premières utilisées pour lélaboration de la fonte sont :  Le minerai de fer.  Le coke.  les fondants (addition). Le produit principal du haut fourneau est la fonte appelée aussi fonte de premièrefusion. Elle est obtenue à létat liquide à une température près de 1400°C et avec uneteneur en carbone de 3,5 à 4,5% et de teneur variable en Si, Mn, P, S. Elle peut aussirenfermer dautres éléments tels que Ti, Cr, etc.La fonte est définie comme un alliage de fer et de carbone dont la teneur en carbone estsupérieure à 2 %.7.1. Matières premières :Comme il a été mentionné que les matières premières destinées pour lélaboration de lafonte sont :  Le minerai de Fer.  Le coke.  Et les fondants. 7.2. Le minerai de fer : Ce sont des roches contenant le fer en quantité importante et économiquementpeuvent être traités en procédé métallurgique. Selon la forme de combinaisons chimique on distingue plusieurs types de mineraisde fer :  la magnétite (Fe304), sa couleur varie du gris foncé au noir.  lhématite rouge (Fe203), sa couleur varie du rouge foncé au gris foncé.  lhématite brune (Fe203.H20), sa couleur varie du noir au jaune.  fer spathique ou sidérose (FeC03), sa couleur varie du jaune pâle au gris.Le tableau ci-dessous nous donne un aperçu sur la composition chimique des différentsminerais. Page 11
  12. 12. Procéder de fabrication de la fonte Composition chimique (%)Type Fe Mn P SiO2 AlO3 CaO MgO CO2 humiditéla magnétite 50-70 0.04- 0.02-3 0.1-7 0.3-1.2 1.0-6 0.5-1.5 ------ 1(Fe3O4) 0.2lhématite 40-70 0.1-1 0.1-0.8 5-18 1-6 0.5-5 0.2-1 0.8 1-10rouge(Fe2O3)lhématite 25-58 0.5-5 0.1-1 5-18 1-10 1-25 0.2-2 8-30 5-15brune(Fe2O3.H2O)fer spathique ou 30-40 1-.7 0.02 7-10 0.1-3 0.5-3 0.5-3.5 20-30 0.5-2sidérose (FeC03) Tableau.3 : composition chimique et différentes teneur en oxydes. Certains éléments additifs du minerai de fer sont indésirables et d’autres sont utiles.Les éléments nocifs sont le soufre, phosphore, arsenic, plomb, zinc, cuivre, le reste telsque Mn, Cr, Ni, Al, Na, MO sont utiles.  Le minerai de manganèse Les minerais de fer sont souvent très pauvres en manganèse, qui est fun deséléments améliorant les propriétés de fonte. Il est essentiellement utilisé pourlélaboration des fontes riches en manganèse tels que les ferro-manganèse et fontespiegel. Le plus souvent on utilise les oxydes tels que MnO2 et Mn2O3 dont la teneur enmanganèse peut atteindre 50%. 7.3. Les fondants : Les fondants sont utilisés dans la charge du haut fourneau pour réduire latempérature de fusion de la gangue, pour la scarification de la soudure du coke et enfinpour l’obtention du laitier fluide ayant une bonne capacité dabsorption du soufre et duphosphore, ces deux derniers éléments sont indésirables dans la composition de la fonte. Comme fondants on utilise le plus souvent le calcaire Ca C03 et très rarement ladolimite (MgCO3xCa CO3). 7.4. Le coke : Le coke est obtenu par pyrolyse de la houille dans un four à labri de lair dans desfours regroupés en batteries dans une usine appelée cokerie. Ce procédé a longtemps ététrès polluant et lest encore dans les pays en développement. En Europe, il ne subsisteque quelques cokeries dont les émissions, sous-produits et déchets sont contrôlés. Généralement plus de 90% des fontes sont produites avec du coke. Le coke estobtenu par cokéfaction de la houille. Selon les variétés de la houille utilisée le coke estconstitué de:  78 -83% carbone  8 - 11% sandre  2 - 6% H2O Page 12
  13. 13. Procéder de fabrication de la fonte  0,8- 1,2% Soufre  2 - 3% éléments volatils Le rôle du coke dans le haut fourneau est :  Fournir la chaleur nécessaire pour la marche du processus du haut fourneau.  Réduction du fer et des oligo-éléments de leurs liaisons dans le minerai et en même temps carburation du fer.  Ameublir la charge dans le haut fourneau afin davoir une bonne perméabilité aux gaz, grâce à sa grande résistance à lécrasement.8. Installation sidérurgique : Une usine de la fabrication la fonte comporte généralement : (voir figueur.1) 1) Déversoir du fondant : c’est la matière incorporée dans la fonte pour abaisser sa température de fusion. Un fondant calcaire est employé dans les hauts-fourneaux lorsque le minerai de fer contient une trop forte proportion d’argile (carbonate de calcium CaCO3). 2) Déversoir de coke : Le coke c’est du carbone ou graphite pur obtenu à partir de la houille qui est passé dans un four afin déliminer les matières volatiles. C’est l’agent thermique qui sert aussi de réducteur pour fixer l’oxygène 3)Déversoir du minerai : les minerais de fer sont des mélanges naturels d’oxydes de fer : Magnétite Fe3O4, Hématite Fe2O3, Sidérose FeCO3…Le minerai est concassé et enrichi pour éliminer le plus possible de gangue, la partie minérale du minerai est constituée de silice, d’alumine ou de calcaire… Figueur.2 : usine de fabrication de la fonte (équipement).4) la charge : elle est composée des trois éléments précédents. Certaines bennes sontchargées uniquement en coke. Les produits sont amenés par des bennes de chargementjusqu’au gueulard situé au sommet du haut-fourneau.5) Le haut-fourneau : Page 13
  14. 14. Procéder de fabrication de la fonteUn haut-fourneau est un four à combustion interne, destiné à la fabrication de la fonte àpartir du minerai de fer. Cette fonte est par la suite affinée par chauffage (décarburation)ce qui permet de produire de la fonte et ses dérivés ferreux, Son espace de travail secompose du haut vers le bas des parties comme il est représenté dans la figueur.2suivantes :1/Benne de chargement et trémie : Les bennes parviennent au somment du haut-fourneau et déversent leur contenu par une trappeà ouverture commandée : la trémie.2/Gueulard : cette partie supérieure du haut-fourneau sert de déversoir et de cheminée où lesgaz ont une température voisine de 300°C (phasede dessication)3/Récupération des gaz : ces gaz chauds sontrécupérés et utilisés pour chauffer les vents quiseront injectés au bas du fourneau. Un clapetd’explosion permet de contrôler la pression desgaz.4/Coke : le combustible est disposé en plusieurscouches dans le four.5/Fondant et minerai : en couches en alternanceavec les couches de coke.6/Etalage et ventre: le corps du four de formecylindrique est constitué de briques réfractairessoutenues par une armature extérieure de figueur.3 : schéma de hautpoutrelles métalliques. fourneauLa partie supérieure s’appelle l’étalage, la partie basse élargie se nomme le ventre oùon atteint près de 800 °C, (phase de réduction).7/Air chaud sous pression : de l’air chaud sous haute pression est injecté dans le fourpour attiser la combustion du charbon et permettre une élévation de température afin defaire fondre tous les éléments. (900 °C à 1 200 °C, phase de carburation).8/Tuyères : elles conduisent un important flux d’air chaud à plus de 1000°c dans lacuve.9/Cuve: c’est la partie la plus chaude du four (1800°C) où s’effectue la fusion deséléments. (Phase de fusion)10/Creuset : Base de la cuve où s’écoulent les produits fondus. Page 14
  15. 15. Procéder de fabrication de la fonte11/Laitier : la gangue silico-alumineuse du minerai de fer et le fondant calcaire oumagnésien en fusion forment le laitier. Il flotte sur la fonte et peut ainsi être extraitséparément ainsi que les scories à lopposé du point de coulée de la fonte. Ce laitierrefroidit brusquement avec de l’eau lors d’un processus qu’on appelle la trempe, seprésente ensuite sous la forme de granulés.12/Fonte : c’est l’alliage fer-carbone en fusion à 1500°C qui coule à la base du hautfourneau. (Phase de liquation) Le pourcentage de carbone est supérieur à 2%. Endessous de ce pourcentage on obtient par affinage des aciers et du fer industriel.9. Préparation des produits destinés pour le haut fourneau : Après avoir extrait les éléments pour la fabrication de la fonte (minerai et fondant), etcommander le coke des cokeries (coke fabriquer pour la fonte), ces matières vontpasser par différentes étape de préparation pour le bon déroulement et rendement dansle haut fourneau. Le tableau suivant représente différentes étape de préparation des matières 1ères : Minerai de fer Fondant Coke Concassage Broyage Concassage Broyage Criblage Enrichissement Criblage séparation Cokéfaction Enrichissement Séparation agglomération criblage Tableau.4 : différentes étape de préparation des matières 1ères. Ensuite, Les matières 1ères sont stocke dans des déversoirs comme il est indiqué dans la (figueur.1).10. Le fonctionnement d’un haut fourneau : Cest par le gueulard que la charge est introduite à laide dun skip (monte-charge).Les proportions du minerai de fer, fondants et du coke sont définit au préalable suivantle type de fonte à élaborer. Le minerai de fer et les fondants sont introduits de telle façon à former des couchesqui seront séparées par des couches de coke. Il sétablit un courant descendant desmatières dabord solides, puis pâteuses et enfin liquide qui traversent le haut fourneau enquelques heures (la durée dépend du volume et de la hauteur du haut-fourneau). Page 15
  16. 16. Procéder de fabrication de la fonte Lair chaud provenant des cowpers (régénérateurs de chaleur chauffés par le gaz degueulard) est soufflé par les tuyères, ainsi loxygène contenu dans lair chaud participe àla combustion du coke en le transformant en oxyde de carbone CO, il en résulte uncourant gazeux ascendant qui traverse aussi le haut-fourneau en quelques heures. Le courant gazeux possède deux fonctions :  Transmettre la chaleur obtenue près des tuyères (1800°C) à la charge. Donc la charge descendante se chauffe jusquà une température de 1500°C à son arrivée au creuset.  b) La deuxième fonction est la réduction des différents oxydes. La réaction fondamentale de réduction lors du processus métallurgique dans le haut-fourneau est la réduction du fer. Lagent réducteur est le carbone et son oxyde (CO),mais le carbone est plus énergique que le Co. Donc leur rôle est déliminer loxygène desdifférents oxydes. La réduction dépend essentiellement de laffinité chimique de lélément à réduire parrapport à loxygène. Plus laffinité chimique (solidité chimique) de lélément avec O2 estplus grande, plus il est difficile à le réduire de ces oxydes.  Il existe deux types de réduction :  La réduction directe, celle qui se passe avec le carbone pour former CO.  La réduction indirecte avec CO et H2 pour former C02 et H20 vapeur La figure.4 et figure.5 nous donne un aperçu sur les réactions principales deréduction se déroulant lors du processus métallurgique de haut-fourneau. Près dugueulard et a une température avoisinant 200°C, la charge subit un séchage dontlhumidité contenue est évacuée sous forme de vapeur avec le gaz de gueulard. A la partie supérieure de la cuve et entre 200°C et 400°C il y a décomposition deshydrates et entre 400°C et 800°C cest la décomposition des carbures. Les processus ci-dessus énumérés portent le nom de travail de la cuve, toutes cesréactions sont endothermiques. Entre 800 et 1000°C on arrive au processus de réduction indirecte les élémentsprincipaux tels que le fer et le manganèse (par rapport au fer le manganèse est difficile àréduire). Jusquau domaine de la réduction indirecte toute la charge se trouve à létatsolide. A des températures supérieures à 1000°C et près du ventre et des étalages du hautfourneau se passe la réduction directe et commence la fusion de la charge. Dans le domaine de la réduction directe le carbone du coke est très actif à ce quetoutes les réactions de réduction se passent sans CO. Page 16
  17. 17. Procéder de fabrication de la fonte Avec laugmentation de la température près de 1500°C, la charge est liquide etquelques réductions chimiques se poursuivent tels que la désulfuration de la fonte. La formation de la fonte est caractérisée par la réduction du fer et sa liaison avec lecarbone et autres éléments de la charge. La carburation du fer commence déjà à létat solide et à des températures inférieuresà 1000°C. Cest le carbone du coke qui passe dans la composition chimique de la fonte,et au fur et à mesure que le fer se carbure sa température de fusion baisse. La charge en passant à létat liquide, elle sécoule sous forme de gouttes entre lesmorceaux de coke, ce qui laisse poursuivre le processus de carburation du fer jusquà lateneur ordinaire nécessaire à lobtention de la fonte liquide. Figure.4 : différentes réactions chimiques dans le haut fourneau Page 17
  18. 18. Procéder de fabrication de la fonteFigure.5 : différentes réactions chimiques dans le haut fourneau avec plus de détail. Page 18
  19. 19. Procéder de fabrication de la fonte11. Les fontes du Haut Fourneau :Les fontes obtenues dans le H-F sont destinées pour laffinage de lacier dans lesdifférents fours et convertisseurs ainsi que pour le moulage des pièces mécaniques(fonderie). Elles se distinguent lune de lautre par leurs compositions chimiques.Le tableau ci-dessous nous indique les différents types de fontes obtenues dans le H-Favec leur composition chimique.La fonte liquide comporte des inclusions variées. Quelques-uns sont souvent introduitsintentionnellement. Outre leurs caractères alphagènes ou gammagènes et leurs actionssur la trempabilité, valables pour les alliages ferreux, les éléments introduits dans lesfontes sont caractérisés par leurs actions :  Graphitisantes (Si, C, Al, Cu, Ni, Zr...) qui se traduisent par la création de germes servant de support de croissance pour le graphite.  Antigraphitisantes (Cr, Mo, Mn, S, V, W, B...)Nous donnons quelques indications spécifiques des principaux éléments contenus dansles fontes. Cuivre et nickel : éléments graphitisants qui contribuent fortement au raffinement de la perlite par leur action γ-gène. En outre, le cuivre est fortement antiferritisant, alors que le nickel est sans effet.Lintroduction dans la fonte de ces deux éléments entraîne une augmentation de larésistance et de la dureté. Silicium : élément graphitisant de base dans les fontes grises (% > 3) qui diminue la solubilité du carbone à létat liquide dans leutectique et solide dans lausténite. Il augmente la réfractairité des fontes et leurs tenus à certaines corrosions. Page 19
  20. 20. Procéder de fabrication de la fonte Chrome : élément antigraphitisant qui stabilise les carbures en retardant leur décomposition thermique ainsi que loxydation interne, et de ce fait améliore la tenue à chaud. Manganèse : empêche la graphitisation et renforce les liaisons atomiques entre le for et le carbone dans la cémentite. Molybdène : il est surtout utilisé pour son importante action sur le" nez perlitique " des courbes T.T.T. Il améliore considérablement la résistance au choc thermique. Soufre : est un élément nuisible qui dégrade les propriétés mécaniques de la fonte. I1 abaisse la coulabilité et contribue à la formation de soufflures dans les pièces moulées.12. Formation du laitier : Le deuxième produit obtenu lors de lélaboration de la fonte est le laitier. Le laitierrésulte de la combinaison des éléments de la gangue de divers minerais, des fondants etde la sandre du coke. Les principaux éléments constituants le laitier sont donnés sur letableau ci-dessous. La formation du laitier seffectue en trois étapes : a) Près de la partie inférieure de la cuve se forme dabord le laitier primairefacilement fusible et en grande quantité et contenant une quantité importante de FeO b) Avec laugmentation de la température le FeO et MnO contenus dans ce laitiersont réduits simultanément et il y a dissolution dautres oxydes dans ce laitier. Ce laitierest appelé laitier intermédiaire. c) Le laitier final se forme dans le creuset à des hautes températures par dissolutionde la sandre du coke, fondant et le reste de la gangue.Conclusion : La fonte et un matériau très intéressant dans le domaine de l’industrie automobile,navale et autres, Elle est utilisée dans la fabrication des pièces moulées dans les fonderieou pour le fabrication des aciers par affinage. Page 20
  21. 21. Procéder de fabrication de la fonte Bibliographies: [1] : Gérard Hartmann ; L’acier historique ;pages (2-3) [2] : Monographie CIRC 2007, vol. 98, in Traduction de la liste (02/12/2009) (vol 1à 100A) du site www.iarc.fr des évaluations faites par le CIRC (groupes 1, 2A, 2B) surles risques de cancérogénécité pour lhomme et commentaires sur lutilisation des agentscités. Cette liste est majorée des conclusions des monographies 100B à 100F dont lesrésultats des évaluations sont publiés au 02/12/2009, travail piloté par le Dr B.FONTAINE. [3] : site de Wikipédia ; Minerai_de_fer ; dernière modification de cette page le 23spetembre 2012 à15 :25. [4] : S.BENSAADA ; élaboration des matériaux ferreux (fontes et aciers) ;pages(50-69) ; Bibliographie de S.BENSAADA : • Métallographie et traitements thermiques des métaux. L.Lakhtine, édition MirMoscou 1978. • Matériaux I et II. N.Bouaoudja, Édition OPU 1992 • Grundlagen der werkstofrwissenschaft 2.Lehrbrief Prof.Dr.F.Gunther, EditionBergakademie Freiberg 1976 • Werkstofïkunde Stahl und Eisen I Eckstein, Édition VEB deutscher verlagLeipzig 1971 • Métallurgie élaboration des métaux C.Chaussin G.Hilly, Edition Dunod Paris1972 • Metallgewinnung Eisen und Stahl Teil :11 1 und 2 Lehrbrief Dozent. Dr. Ing.Helmut Burghardt,Édition Bergokademie Freiberg 1974 • Eisenhuhenkunde Teil 1.Métallurgie der Roheisenerzengung Dr.lnw.WinfriedWenzel, Édition Bergokademie freiberg 1972 [5] : dossier enseignant « voyage en industrie » cap science 2006 ; le fer et l’acier Page 21

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