La fonte

Procéder de fabrication de la fonte

Sommaire :

Histoire du fer : ................................................................................................................................... 3

1. INTRODUCTION : ..................................................................................................................... 5

2. COMPOSITIONS DES FONTES : ............................................................................................. 6

3. MINERAI : .................................................................................................................................. 8

4. LE MINERAI DE FER : ............................................................................................................. 8

5. EXTRACTION DES METAUX (ELABORATION DES METAUX) :...................................... 9

6. ÉLABORATION DES METAUX FERREUX: ......................................................................... 10

7. LES FONTES : .......................................................................................................................... 10

7.1. MATIERES PREMIERES :................................................................................................................. 11
7.2. LE MINERAI DE FER : ............................................................................................................... 11
7.3. LES FONDANTS :....................................................................................................................... 12
7.4. LE COKE : ................................................................................................................................ 12

8. INSTALLATION SIDERURGIQUE : ...................................................................................... 13

9. PREPARATION DES PRODUITS DESTINES POUR LE HAUT FOURNEAU : ................. 15

10. LE FONCTIONNEMENT D’UN HAUT FOURNEAU : ..................................................... 15

11. LES FONTES DU HAUT FOURNEAU : ............................................................................. 19

12. FORMATION DU LAITIER : .............................................................................................. 20

CONCLUSION : ................................................................................................................................ 20

BIBLIOGRAPHIES: ......................................................................................................................... 21

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Histoire du fer :
Le fer existe partout à l’état d’oxyde. C’est même le métal dur le plus courant et
le 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 à
l’âge du bronze) voit naître les premières civilisations dont il devient le symbole et le
vecteur premier. L’archéologie moderne a montré que les anciens Chinois (4500 ans A.J
BP), les Egyptiens (4000 ans A.J BP), les Chaldéens, les Grecs et les Romains de
l’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 la
culture 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 sous
forme malléable à basse température (moins de 900 °C) dans des fours simples (bas
foyer) et si on le distingue de l’acier par ses qualités de tranchant, il est produit de la
même façon. Au 12ème siècle apparaît près de Liège en Belgique un procédé nouveau
d’obtention du fer par retraitement (affinage) d’une première fonte, qui donne aussi de
l’acier. Le procédé se répand en Styrie et Carinthie (Autriche). Au 12ème siècle, les
Chartreux 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 au
11ème siècle) permet le perfectionnement de l’industrie du fer ibérique déjà réputé, et qui
donne son nom au procédé primitif d’obtention de l’acier : la forge catalane. Le
commerce de la fonte et des objets de fer (épées) se répand à travers toute l’Europe au
15ème siècle.

Les anciens supputent que l’acier est un fer dur aux molécules réarrangées en
rangs serrés. Pour les armes, on recherche à la fin du Moyen Age les meilleurs
gisements et certains fondeurs sont connus pour leur art de réaliser des pièces
remarquables. Les meilleurs aciers au Moyen âge sont ceux d’Espagne (Tolède) et de
Syrie (Damas). Les Wallons (limite de la France, de la Flandre, de l’Angleterre et de
l’Allemagne) transportent au 16ème siècle leur industrie sidérurgique en Scandinavie.

Au siècle suivant, ce sont les fers d’Allemagne, du Piémont, de Hongrie, de
Styrie, puis au 18ème siècle ceux de Suède qui donnent le meilleur acier. En France on
produit du fer depuis toujours. Au siècle des lumières, à la demande du roi, d’éminents
chimistes comme Réaumur (1683-1757), Berthollet et Monge constatant que les
meilleurs 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 par
cémentation et trempe (1722).

Au 18ème siècle, aux gisements de l’Ardèche, de la Dordogne, de l’Hérault, du
Gard, de l’Indre, du Lot, du Lot-et-Garonne et du Tarn s’ajoutent de nouveaux
gisements riches en fer, situés dans le bassin de l’Ouest de la France (Normandie et

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Maine) et ceux de la chaîne pyrénéenne (Ariège). A la fin du XVIIIe siècle se diffuse un
nouveau 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’acier
font leur apparition, avec l’affinage par air pulsé (pneumatique) inventé en 1855 par
l’ingénieur Anglais Henry Bessemer, l’affinage au four à air pulsé et à gaz de Wilhelm
von Siemens (1823- 1883) inventé en 1858, puis l’affinage déphosphorant mis au point
en 1876 par l’Anglais Sidney Gilchrist Thomas (1850-1885), qui permettent à la fois de
couler de gros lingots, de produire massivement le fer et l’acier, et surtout d’effacer le
handicap des fers français, très phosphorés et impropres à la production d’acier. En
1865, l’ingénieur français Pierre Martin (1824-1915) améliore le procédé Siemens avec
un four à sole montant à 1700°C fusionnant de la fonte et du minerai de fer et des
ferrailles.

Avec les convertisseurs Thomas et Martin, la production de fer et d’acier en Europe fait
aussitôt un bond en avant spectaculaire (voir tableau.1).

Dès le milieu du 19ème siècle, les économistes remarquent que les pays
producteurs de fer sont aussi les plus riches : Etats-Unis, Allemagne, Angleterre et
France. Sans le fer, que seraient les outils, les machines à vapeur, le réseau ferré, les
ponts, 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 dans
l’armement, dans les moteurs à vapeur et à essence, l’acier devient un matériau
stratégique. Auteur à succès, Jules Verne comprend et dénonce l’hégémonie du fer et
ses 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, la
production mondiale de minerai de fer passe de 28 millions de tonnes en 1870 à 139
millions de tonnes en 1913. Les pays développés se couvrent de hauts-fourneaux. En
1910, 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), devant
la Russie, l’Espagne et la Suède. Sa production étant basée à 90 % sur les minerais

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phosphoreux (1,70 % de phosphore par rapport au fer) venant en totalité du bassin de
Lorraine (ouvert en 1859), il est nécessaire de les traiter au four Thomas. C’est la raison
pour 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 doit
importer de l’acier d’Allemagne, d’Espagne et de Suède pour l’industrie automobile et
l’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 fer
contenu dans les minerais.

Un haut-fourneau est un four à combustion interne, destiné à la fabrication de la
fonte 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 des
autres alliages par leur excellente coulabilité (ce terme regroupe l'inertie thermique et la
fluidité de l'alliage en fusion, il est mesuré de façon normalisée par une éprouvette en
colimaçon de section triangulaire). [2].

La fonte a une température de fusion allant de 1 135 °C à 1 350 °C, essentiellement
en fonction du pourcentage de carbone et de silicium qu'elle contient. Lorsqu'elle est en
fusion, sa teneur maximale en carbone dépend de sa température. Au moment de la
solidification, la quantité de carbone précipitant sous la forme de graphite dans la
matrice métallique dépend des autres éléments présents (essentiellement le silicium) et
des vitesses de refroidissement. [2].

Elle peut être un précurseur dans la fabrication de l'acier à partir de minerai de fer.
C'est l'alliage qui sort du haut fourneau et qui sera affiné en acier (par décarburation).
On l'appelle alors fonte brute, pour la distinguer de la fonte de fonderie, généralement
issue d'une fusion au cubilot, de composition déterminée, et destinée à la production de
pièces moulées. [2].

Les fontes sont utilisées pour tout type de pièce mécanique. Pour leur majorité les
pièces sont obtenues par coulée du métal liquide dans des moules en sable siliceux.

La fonte, et particulièrement la fonte FGS, est très utilisée par l'industrie
automobile pour la fabrication, par moulage puis usinage partiel, des blocs moteur, des
étriers et chapes de frein à disque, des tambours de freins ou encore des volants
moteurs, organes de suspension, arbre à came, vilebrequin etc.

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La fonte FGL est utilisée pour la fabrication de disques de freins, contrepoids
(chariot élévateur), pour la réalisation d'éléments de chauffage, particulièrement ceux de
haut de gamme.

La fonte FGL est incontournable pour la réalisation des plaques de cheminée et
d'inserts de cheminée.

La fonte FGS est particulièrement utilisée en éléments de voirie comme les
grilles et regards d'assainissement (grille d'égout)

Les fontes FGS et FGL sont utilisées pour la réalisation de mobiliers urbains
comme les bancs et les rambardes ouvragées (Bouches de métro Guimard), et en
ornementation de bâtiments comme les appuis de fenêtre, les rosaces de portail, les pics
de grille. Là, la FGS est appréciée pour sa soudabilité.

La fonte FGL est utilisée pour la fabrication de conduites et de tuyaux. À
l’exclusion, depuis quelques années, des conduites de gaz de ville car elle est trop
cassante vis-à-vis des sollicitations du trafic des véhicules lourds et particulièrement
lors 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 car
elle a une très bonne capacité d'absorption des vibrations.

Dans notre travail nous allons présenter le procéder de fabrication de la fonte dès les
matières premières aux produits de haut fourneau.

2. Compositions des fontes :

D'un point de vue chimique, les fontes sont des alliages fer-carbone contenant une
phase eutectique, appelée lédéburite. Sur le diagramme de phase fer-carbone métastable,
il s'agit donc des alliages fer-carbone ayant plus de 2,11 % de carbone (mais ce
diagramme n'est plus valable en présence d'éléments d'alliage). [2].

On distingue les différentes fontes par leur pourcentage de carbone. Dans le cas d'un
alliage pur de fer et de carbone (cas théorique car la fonte contient toujours du silicium
et 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.

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Figure.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 n'est pas suffisante pour que cela ait lieu. [2].

Le cas est différent pour les fontes qui ont une teneur plus importante en
carbone, 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 de
refroidissement : quand la vitesse de refroidissement est rapide, le carbone dissous dans
le fer γ n'a 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, le
carbone peut se « rassembler » et former du graphite. Certains éléments comme le
silicium permettent de favoriser la formation de graphite.

Sur le diagramme fer-carbone stable, l'eutectique est à une teneur de 4,25% de
carbone, 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.

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3. Minerai :

Généralement tous les métaux ne se trouvent pas à l'état natif (état pur) dans la
nature, mais sous forme de roche, terre appelée minerai, seuls quelques métaux (Au, Ag,
Hg) peuvent se trouver à l'état pur.

Le minerai est une combinaison d'un métal ou de plusieurs métaux avec d'autres
éléments tels que 02, C, N2, P, S etc... En plus il contient de l'eau d'hydratation.

Le minerai est une substance minérale qui baigne dans une substance stérile appelée
gangue. Les minerais qu'on rencontre dans la nature sont sous forme d'oxydes (Fe203),
carbonates (CaCo3), sulfures (PbS) ou silicates (Al4(SiO4)).

La possibilité d'exploitation économique d'un minerai dépend de la teneur du métal
de base, de l'abondance ou de la rareté du métal.

Industriellement on qualifie de minerai tout produit minéral dont on peut extraire un
métal ou un alliage à un prix de revient convenable. Le mot minerai est donc un terme
économique et non minéralogique, la teneur minimale des minerais exploitables dépend
essentiellement de la valeur du métal. Ainsi un quartz aurifère contenant 20g d'or à la
tonne est considéré comme un minerai riche alors qu'une roche à 20% de fer (teneur
10.000 fois plus grande) n'est pas exploitée en général.

Avant l'extraction du métal de son minerai, ce dernier subit une préparation au
préalable qui consiste à :

 Concassage des gros morceaux à l'aide 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 d'oxydes, comme
l'hématite. Les minerais de fer ont une teneur en fer variable selon le minéral ferrifère,
sachant également que l’isomorphisme, presque toujours présent dans les minéraux
naturels, 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 72,4
magnésioferrite 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

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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 fer
des 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 traitements
thermiques ou chimiques l'utilisation de l'une ou de l'autre dépend de la composition
chimique du minerai et de la nature de sa gangue.

En général les traitements se font dans des fours portés à haute température.
L'opération consiste à assurer d'une part la fusion du minerai et d'autre part l'élimination
des 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 l'effet de la chaleur,
le carbone et l'oxyde 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 l'abri de l'air 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 ensuite
traités par la méthode de réduction afin d'extraire le métal. Certains métaux élaborés ne
sont pas purs et doivent subir des opérations de raffinage chimique ou électrochimique.

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Les métaux obtenus sont ensuite préparés sous diverses formes commerciales par les
procédés suivants : déformation plastique, laminage, étirage et moulage.

6. Élaboration des métaux ferreux:

Parmi les éléments chimiques connus 70% sont des métaux. Les métaux n'existent
pas à l'état pur dans la nature, mais sous forme de combinaisons chimiques, uniquement
dans certains cas le cuivre, l'argent et l’or se trouvent à l'état pur c'est à dire à l'état
métallique.

Les éléments ne sont pas répartis d'une façon homogène dans les différentes régions.
On peut rencontrer différentes compositions chimiques et différentes concentrations des
éléments d'une région à une autre. Donc les métaux sont rencontrés sous formes de
minerais qui sont des minéraux ou mélange de minéraux à partir desquels on peut
extraire un ou plusieurs métaux par les différents procédés métallurgiques.

Les minerais sont exploités de leurs gisements par exploitation à ciel ouvert ou
souterraine et avant d'être acheminés vers les usines métallurgiques subissent des
opérations de préparation tels que le concassage, broyage, tamisage, enrichissement etc..
Selon l'énergie et l'agent 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, l'agent 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 c'est
à cause de leur prix bas. Cette baisse de prix est due aux abondances de gisements de
minerais de fer dans la nature (l'écorce terrestre en contient 5%), ainsi que dans la
teneur en fer dans les minerais, certains minerais contiennent jusqu'à 70% de fer.

Le fer et ses alliages sont obtenus par des opérations métallurgiques, qui ont pour
but d'extraire le métal (fer) à partir de son minerai. Ces opérations se déroulent dans des
fours ou convertisseurs l'élaboration 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 d'obtenir un second produit prêt à
l'utilisation 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 la
fonte il peut être sous deux forme graphite ou cémentite(Fe3C) selon la vitesse de
refroidissement.

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Le moyen principal utilisé pour l'élaboration de la fonte est le haut fourneau, dans
lequel se déroule le processus métallurgique de réduction, fusion, ainsi que la
carburation du fer.

Le but principal du haut fourneau est d'extraire le métal (fer) de son minerai et sa
séparation de la gangue.

Les matières premières utilisées pour l'élaboration 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 première
fusion. Elle est obtenue à l'état liquide à une température près de 1400°C et avec une
teneur en carbone de 3,5 à 4,5% et de teneur variable en Si, Mn, P, S. Elle peut aussi
renfermer d'autres éléments tels que Ti, Cr, etc.

La fonte est définie comme un alliage de fer et de carbone dont la teneur en carbone est
supérieure à 2 %.

7.1. Matières premières :
Comme il a été mentionné que les matières premières destinées pour l'élaboration de la
fonte 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 économiquement
peuvent être traités en procédé métallurgique.

Selon la forme de combinaisons chimique on distingue plusieurs types de minerais
de fer :

 la magnétite (Fe304), sa couleur varie du gris foncé au noir.
 l'hématite rouge (Fe203), sa couleur varie du rouge foncé au gris foncé.
 l'hématite 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 différents
minerais.

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Composition chimique (%)
Type Fe Mn P SiO2 AlO3 CaO MgO CO2 humidité
la magnétite 50-70 0.04- 0.02-3 0.1-7 0.3-1.2 1.0-6 0.5-1.5 ------ 1
(Fe3O4) 0.2
l'hématite 40-70 0.1-1 0.1-0.8 5-18 1-6 0.5-5 0.2-1 0.8 1-10
rouge(Fe2O3)
l'hématite 25-58 0.5-5 0.1-1 5-18 1-10 1-25 0.2-2 8-30 5-15
brune(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 0.5-2
sidérose (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 tels
que 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 des
éléments améliorant les propriétés de fonte. Il est essentiellement utilisé pour
l'élaboration des fontes riches en manganèse tels que les ferro-manganèse et fonte
spiegel. Le plus souvent on utilise les oxydes tels que MnO2 et Mn2O3 dont la teneur en
manganèse peut atteindre 50%.

7.3. Les fondants :
Les fondants sont utilisés dans la charge du haut fourneau pour réduire la
température de fusion de la gangue, pour la scarification de la soudure du coke et enfin
pour l’obtention du laitier fluide ayant une bonne capacité d'absorption du soufre et du
phosphore, 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 la
dolimite (MgCO3xCa CO3).

7.4. Le coke :

Le coke est obtenu par pyrolyse de la houille dans un four à l'abri de l'air dans des
fours regroupés en batteries dans une usine appelée cokerie. Ce procédé a longtemps été
très polluant et l'est encore dans les pays en développement. En Europe, il ne subsiste
que quelques cokeries dont les émissions, sous-produits et déchets sont contrôlés.

Généralement plus de 90% des fontes sont produites avec du coke. Le coke est
obtenu par cokéfaction de la houille. Selon les variétés de la houille utilisée le coke est
constitué de:

 78 -83% carbone
 8 - 11% sandre
 2 - 6% H2O

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 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 d'avoir une bonne perméabilité
aux gaz, grâce à sa grande résistance à l'écrasement.

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 d'éliminer 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 sont
chargées uniquement en coke. Les produits sont amenés par des bennes de chargement
jusqu’au gueulard situé au sommet du haut-fourneau.

5) Le haut-fourneau :

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Un haut-fourneau est un four à combustion interne, destiné à la fabrication de la fonte 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, Son espace de travail se
compose du haut vers le bas des parties comme il est représenté dans la figueur.2
suivantes :

1/Benne de chargement et trémie : Les bennes parviennent au somment du haut-
fourneau et déversent leur contenu par une trappe
à ouverture commandée : la trémie.

2/Gueulard : cette partie supérieure du haut-
fourneau sert de déversoir et de cheminée où les
gaz ont une température voisine de 300°C (phase
de dessication)

3/Récupération des gaz : ces gaz chauds sont
récupérés et utilisés pour chauffer les vents qui
seront injectés au bas du fourneau. Un clapet
d’explosion permet de contrôler la pression des
gaz.

4/Coke : le combustible est disposé en plusieurs
couches dans le four.

5/Fondant et minerai : en couches en alternance
avec les couches de coke.

6/Etalage et ventre: le corps du four de forme
cylindrique est constitué de briques réfractaires
soutenues par une armature extérieure de figueur.3 : schéma de haut
poutrelles métalliques. fourneau

La partie supérieure s’appelle l’étalage, la partie basse élargie se nomme le ventre où
on atteint près de 800 °C, (phase de réduction).

7/Air chaud sous pression : de l’air chaud sous haute pression est injecté dans le four
pour attiser la combustion du charbon et permettre une élévation de température afin de
faire 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 la
cuve.

9/Cuve: c’est la partie la plus chaude du four (1800°C) où s’effectue la fusion des
éléments. (Phase de fusion)

10/Creuset : Base de la cuve où s’écoulent les produits fondus.

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11/Laitier : la gangue silico-alumineuse du minerai de fer et le fondant calcaire ou
magnésien en fusion forment le laitier. Il flotte sur la fonte et peut ainsi être extrait
séparément ainsi que les scories à l'opposé du point de coulée de la fonte. Ce laitier
refroidit brusquement avec de l’eau lors d’un processus qu’on appelle la trempe, se
présente 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 haut
fourneau. (Phase de liquation) Le pourcentage de carbone est supérieur à 2%. En
dessous 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), et
commander le coke des cokeries (coke fabriquer pour la fonte), ces matières vont
passer par différentes étape de préparation pour le bon déroulement et rendement dans
le 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 :

C'est par le gueulard que la charge est introduite à l'aide d'un skip (monte-charge).
Les proportions du minerai de fer, fondants et du coke sont définit au préalable suivant
le type de fonte à élaborer.

Le minerai de fer et les fondants sont introduits de telle façon à former des couches
qui seront séparées par des couches de coke. Il s'établit un courant descendant des
matières d'abord solides, puis pâteuses et enfin liquide qui traversent le haut fourneau en
quelques heures (la durée dépend du volume et de la hauteur du haut-fourneau).

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L'air chaud provenant des cowpers (régénérateurs de chaleur chauffés par le gaz de
gueulard) est soufflé par les tuyères, ainsi l'oxygène contenu dans l'air chaud participe à
la combustion du coke en le transformant en oxyde de carbone CO, il en résulte un
courant 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 jusqu'à 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. L'agent réducteur est le carbone et son oxyde (CO),
mais le carbone est plus énergique que le Co. Donc leur rôle est d'éliminer l'oxygène des
différents oxydes.

La réduction dépend essentiellement de l'affinité chimique de l'élément à réduire par
rapport à l'oxygène. Plus l'affinité chimique (solidité chimique) de l'élément avec O2 est
plus 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 de
réduction se déroulant lors du processus métallurgique de haut-fourneau. Près du
gueulard et a une température avoisinant 200°C, la charge subit un séchage dont
l'humidité 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 des
hydrates et entre 400°C et 800°C c'est la décomposition des carbures.

Les processus ci-dessus énumérés portent le nom de travail de la cuve, toutes ces
réactions sont endothermiques.

Entre 800 et 1000°C on arrive au processus de réduction indirecte les éléments
principaux tels que le fer et le manganèse (par rapport au fer le manganèse est difficile à
réduire). Jusqu'au domaine de la réduction indirecte toute la charge se trouve à l'état
solide.

A des températures supérieures à 1000°C et près du ventre et des étalages du haut
fourneau 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 que
toutes les réactions de réduction se passent sans CO.

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Avec l'augmentation de la température près de 1500°C, la charge est liquide et
quelques 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 le
carbone et autres éléments de la charge.

La carburation du fer commence déjà à l'état solide et à des températures inférieures
à 1000°C. C'est 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 l'état liquide, elle s'écoule sous forme de gouttes entre les
morceaux de coke, ce qui laisse poursuivre le processus de carburation du fer jusqu'à la
teneur ordinaire nécessaire à l'obtention de la fonte liquide.

Figure.4 : différentes réactions chimiques dans le haut fourneau

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Figure.5 : différentes réactions chimiques dans le haut fourneau avec plus de détail.

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11. Les fontes du Haut Fourneau :

Les fontes obtenues dans le H-F sont destinées pour l'affinage de l'acier dans les
différents fours et convertisseurs ainsi que pour le moulage des pièces mécaniques
(fonderie). Elles se distinguent l'une de l'autre par leurs compositions chimiques.

Le tableau ci-dessous nous indique les différents types de fontes obtenues dans le H-F
avec leur composition chimique.

La fonte liquide comporte des inclusions variées. Quelques-uns sont souvent introduits
intentionnellement. Outre leurs caractères alphagènes ou gammagènes et leurs actions
sur la trempabilité, valables pour les alliages ferreux, les éléments introduits dans les
fontes 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 dans
les 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.

L'introduction dans la fonte de ces deux éléments entraîne une augmentation de la
résistance et de la dureté.

Silicium : élément graphitisant de base dans les fontes grises (% > 3) qui
diminue la solubilité du carbone à l'état liquide dans l'eutectique et solide dans
l'austénite. Il augmente la réfractairité des fontes et leurs tenus à certaines
corrosions.

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Chrome : élément antigraphitisant qui stabilise les carbures en retardant leur
décomposition thermique ainsi que l'oxydation 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 l'élaboration de la fonte est le laitier. Le laitier
résulte de la combinaison des éléments de la gangue de divers minerais, des fondants et
de la sandre du coke. Les principaux éléments constituants le laitier sont donnés sur le
tableau ci-dessous.

La formation du laitier s'effectue en trois étapes :

a) Près de la partie inférieure de la cuve se forme d'abord le laitier primaire
facilement fusible et en grande quantité et contenant une quantité importante de FeO

b) Avec l'augmentation de la température le FeO et MnO contenus dans ce laitier
sont réduits simultanément et il y a dissolution d'autres oxydes dans ce laitier. Ce laitier
est appelé laitier intermédiaire.

c) Le laitier final se forme dans le creuset à des hautes températures par dissolution
de 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 fonderie
ou pour le fabrication des aciers par affinage.

Page 20


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 1
à 100A) du site www.iarc.fr des évaluations faites par le CIRC (groupes 1, 2A, 2B) sur
les risques de cancérogénécité pour l'homme et commentaires sur l'utilisation des agents
cités. Cette liste est majorée des conclusions des monographies 100B à 100F dont les
résultats 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 23
spetembre 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 Mir
Moscou 1978.

• Matériaux I et II. N.Bouaoudja, Édition OPU 1992

• Grundlagen der werkstofrwissenschaft 2.Lehrbrief Prof.Dr.F.Gunther, Edition
Bergakademie Freiberg 1976

• Werkstofïkunde Stahl und Eisen I Eckstein, Édition VEB deutscher verlag
Leipzig 1971

• Métallurgie élaboration des métaux C.Chaussin G.Hilly, Edition Dunod Paris
1972

• 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.Winfried
Wenzel, Édition Bergokademie freiberg 1972

[5] : dossier enseignant « voyage en industrie » cap science 2006 ; le fer et l’acier

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