Le fer et l'acier (Sciences & Techniques)

« La fonte en provenance d'un haut fourneau contient encore de nombreuses impuretés, dont du carbone, du soufre, du phosphoreet du silicium.

La nature de ces impuretés dépend de la composition du minerai et de la proportion de calcaire contenue dans lacharge.

On ajoute parfois une certaine quantité de calcaire pour obtenir un laitier qui se sépare bien de la fonte, et ce en abaissantson point de fusion.

Cela signifie que le four peut fonctionner avec une température plus basse et donc avoir un meilleurrendement énergétique.

Le fer ainsi produit est appelé fer ordinaire.

À ce stade, le fer possède des propriétés mécaniquesintéressantes : il résiste à la traction et à la compression, il est malléable et, sous l'effet de la chaleur, il peut changer de forme etenfin il est ductile, c'est-à-dire étirable. Cependant, une fois coulée, la fonte ordinaire est cassante et se révèle difficile à usiner.

Aussi est-elle souvent chauffée pour larendre plus malléable et plus facile à traiter.

Les fontes ainsi obtenues sont en outre beaucoup moins fragiles et peuvent êtreutilisées là où la fonte ordinaire ne conviendrait pas.

Si la teneur en calcaire de la charge est augmentée pour obtenir un laitieravec un point de fusion plus haut, le métal produit est appelé fonte acide.

Sa teneur en silicium est comprise entre 2 et 4%, et lecarbone se présente sous forme de paillettes de graphite.

Cela donne à la surface de ce métal une apparence terne, d'où sonautre nom de fonte grise.

Elle est utilisée pour la fabrication de parties moulées de machines (carters de moteur, par exemple). Afin de rendre la fonte grise moins fragile, on ajoute parfois des éléments tels que le calcium, le magnésium ou le cérium.

Danscertains cas, les propriétés mécaniques de résistance ou de souplesse de la fonte sont suffisamment améliorées pour permettreson emploi dans des applications telles que la construction, où l'acier, plus solide, est préférable.

Ainsi, une petite quantité de ferforgé est encore produite en mélangeant des saumons de fonte avec de l'oxyde de fer, qui lui retire une grande part de sesimpuretés.

Le fer se solidifie peu à peu et prend la forme voulue par forgeage (au marteau-pilon), pressage ou laminage. La fabrication de l'acier La fabrication de l'acier, alliage de fer et de carbone, ne se réduit pas à une simple addition de ces deux composants.

Elle estsoumise à des règles physiques et chimiques strictes.

La proportion de carbone dans l'acier est très inférieure à celle qui estadmise dans la fonte.

La teneur maximale en carbone est de 2,06%, et la plupart des aciers en contiennent moins de 1,7%. Pour obtenir de l'acier, il faut enlever le carbone et les impuretés de la fonte avant d'ajouter la quantité exacte de carbone et demétaux (par exemple : le chrome, le vanadium, le manganèse ou le nickel).

Ces adjonctions d'autres éléments permettent deconférer à l'acier des propriétés physico-chimiques particulières, en fonction de son usage (facilité d'usinage, dureté, résistance àla corrosion et à la chaleur, etc.).

De même, en refroidissant brusquement l'acier dans l'eau ou l'huile (on parle d'acier trempé), onprocède à une opération de traitement thermique augmentant son élasticité et sa dureté.

Enfin, la surface de l'acier peut égalementêtre traitée afin d'améliorer sa protection face à la corrosion de l'air, de l'eau ou du sel.

Différents revêtements peuvent être iciutilisés, un dépôt de zinc fondu par exemple (galvanisation). Le procédé Bessemer La première méthode réellement efficace pour obtenir de grandes quantités d'acier fut inventée en Angleterre par HenryBessemer, en 1855.

Il appela convertisseur son four à acier, un grand récipient en fer (aujourd'hui en acier) garni de briquesréfractaires très résistantes à la chaleur.

Le convertisseur de Bessemer était monté sur des pivots (les tourillons) de telle sorte qu'ilpuisse basculer de la position horizontale à la position verticale.

En position horizontale, le convertisseur était chargé avec de lafonte liquide et du calcaire.

Il était ensuite placé verticalement, et un fort souffle d'air était envoyé à travers le fond perforé. L'oxygène de l'air convertissait une petite partie de la fonte et presque toutes les impuretés en leurs différents oxydes.

Le carboneétait entièrement éliminé sous forme de gaz, et les oxydes de silicium, de manganèse et autres impuretés se combinaient avec lachaux pour former le laitier.

Après évacuation de l'air du convertisseur, on ajoutait des quantités précises d'alliage de manganèse-fer-carbone (le "spiegel"), d'alliage de fer-silicium et d'aluminium.

Grâce à ces ajouts, on séparait le métal de l'oxygène et del'oxyde de fer restants.

On conservait un apport de manganèse dans l'acier pour améliorer sa qualité.

Enfin, on y incorporait ducoke ou de l'anthracite (une sorte de charbon) pour ajuster la teneur en carbone, donc sa solidité. Le four Martin En 1879, William et Charles Siemens inventèrent une autre technique de production de l'acier.

Dans leur four que l'on appela plustard four Martin, ils brûlaient du gaz de charbon sous une charge de fer et de calcaire.

Les deux frères avaient compris que leconvertisseur Bessemer gaspillait une importante quantité d'énergie en faisant passer le courant d'air à travers la fonte.

Ils eurentl'idée d'utiliser la chaleur des gaz résiduels produits lors de la fusion afin de préchauffer le gaz de charbon et l'air injecté dans le. »