SIDÉRURGIE
Élaboration des aciers
Diagramme fer-carbone
Encyclopædia Universalis France
Un acier est un alliage de fer et de carbone dont la teneur en ce dernier élément est inférieure à 2,06 p. 100 (point E du diagramme fer-carbone correspondant à la solubilité maximale du carbone dans le fer cubique à faces centrées ; ). Toutefois, de nombreux autres éléments peuvent figurer dans les aciers, soit en teneurs contrôlées, soit à l'état d'impuretés indésirables. L'art de l'aciériste consiste à ajouter les éléments utiles dans les meilleures conditions de rendement et de prix de revient et à éliminer au maximum et au meilleur compte les impuretés. Selon les propriétés requises, tel élément peut être une impureté ou une addition voulue, tel le soufre dans les aciers de décolletage. L'Euronorm 20 définit les limites supérieures des teneurs en certains éléments pour les aciers ordinaires, par exemple moins de 0,4 p. 100 de cuivre, moins de 0,3 p. 100 de nickel ; au-delà de ces teneurs, on entre dans le domaine des aciers spéciaux. On se bornera dans ce qui suit à traiter de l'élaboration de l'acier avec passage par la phase liquide, ce qui exclut par exemple le frittage (cf. métallurgie des poudres), la réduction directe et le puddlage (cf. métallurgie - Histoire).
Précipitation et partage
L'élimination d'un corps en solution dans un alliage peut se faire par précipitation ou par partage entre deux phases. La précipitation relève de la loi d'action de masse :
En ce qui concerne le deuxième mécanisme, on se limitera au partage entre phases liquides en écartant le procédé de purification par zone fondue où il y a partage entre une phase liquide et une phase solide. Dès 1872, Marcelin Berthelot, en étudiant la dissolution de différentes substances dans deux solvants incomplètement miscibles formant deux couches liquides superposées, a trouvé que le rapport K des concentrations c de la substance ajoutée dans les deux couches liquides est, à une température donnée, indépendant de la masse totale ajoutée : c3/1/c3/2 = K = coefficient de partage de 3 entre les liquides 1 et 2. Cela est vérifié pour les bains à base de fer et les mélanges d'oxydes divers fondus qui surnagent à leurs surfaces. La précipitation est suivie de la décantation ; les précipités que l'on obtient ainsi peuvent être liquides, solides ou gazeux.
Sources de fer
Les sources de fer sont essentiellement les produits de la réduction des oxydes de fer obtenus de façon plus ou moins complète à l'état solide (boulettes ou « pellets » préréduits) et à l'état liquide au haut fourneau grâce à l'action réductrice du carbone, ainsi que les ferrailles de récupération. À ces deux sources, qui seules ont une importance industrielle sur le plan de la quantité, s'ajoutent les sous-produits de certains traitements (grillage de sulfures, traitement de l'alumine donnant les boues rouges), le fer électrolytique, le fer carbonyle, les produits résultant d'actions biologiques, etc.
L'élaboration d'un acier à partir du minerai consiste en une succession d'opérations de réduction et d'oxydation : réduction du minerai qui donne de la fonte, oxydation du carbone de la fonte pour obtenir de l'acier, maîtrise de la teneur résiduelle en oxygène de l'acier pour contrôler sa macrostructure. Selon l'origine du minerai ou des ferrailles, les impuretés à éliminer (P, Si, S...) sont différentes, mais, quel que soit le procédé d'élaboration de l'acier, on observe toujours, en partant de fonte ou de ferrailles, une combinaison des opérations élémentaires suivantes : fusion, oxydation (avec ses aspects particuliers éventuels : décarburation, déphosphoration), désulfuration, désoxydation, mise en solution d'éléments (carbone, ferro-alliages), variation de la pression à laquelle est soumis le métal (traitements par le vide, création d'une pression[...]
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Écrit par
- Jean DUFLOT : ingénieur E.C.P., docteur ingénieur, directeur de l'Ecole supérieure de fonderie, chargé de cours titulaire au Conservatoire national des arts et métiers
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