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La Chaux, une composante essentielle de la sidérurgie
La sidérurgie est inconcevable sans l’emploi de chaux, qui est présente tout le long du processus sidérurgique. L’ajout de chaux s’impose dans les fours à arc électrique, dans les convertisseurs AOD, dans les poches d’affinage, etc. En sidérurgie, la chaux est un agent purificateur, qui élimine les impuretés, désulfure, déphosphore, fait fonction de fondant, de neutralisant… Le tout avec un objectif spécifique qui n’est autre que transformer le minerai de fer en acier et autres produits ferreux. Une transformation pour laquelle sont également indispensables d’autres produits Calcinor comme la dolomie calcinée ou les réfractaires.
La sidérurgie jusqu’à nos jours
L’Académie royale de la Langue espagnole définit la sidérurgie comme “la métallurgie du fer, de l’acier, de la fonderie et des alliages ferreux”, autrement dit, le secteur de l’industrie du métal qui s’occupe d’extraire le fer et le travailler. Car le fer, derrière l’oxygène, la silice et l’aluminium, est l’un des éléments qui abonde le plus dans la terre.
Le premier fer jamais utilisé a été probablement un alliage de Fer (Fe) et de Nickel (Ni) qui, par hasard, s’est révélé malléable en le chauffant et donc utile pour la fabrication de flèches et d’outils. Au IIe siècle av. J.C. font leur apparition les premiers fours pour traiter les minerais de fer, mais les moyens restent rudimentaires et ne permettent pas d’atteindre une température suffisamment élevée pour fondre le métal. À partir du XVe siècle, les fours gagnent en hauteur et les méthodes d’insufflation s’améliorent, ce qui va permettre de fondre en moule pour obtenir les premières fontes brutes. Et enfin, en 1750, le premier acier homogène est obtenu après avoir chauffé du fer et du charbon de bois dans un creuset.
Bien que l’usage du fer remonte à la Préhistoire, les avancées en sidérurgie ne deviennent décisives qu’au XIXe siècle avec le développement des chemins de fer. C’est à ce moment que se fait sentir la nécessité de disposer d’un matériel à la fois forgeable et consistant.
Actuellement, la production mondiale de la sidérurgie est 20 fois supérieure à celle du reste des métaux, surtout en raison de la polyvalence et de la diversité des produits sidérurgiques.
La norme UNE 36001 établit le classement suivant pour les produits sidérurgiques : Fers, aciers, fontes ou fontes brutes, ferroalliages, conglomérats ferreux et alliages ferreux spéciaux. Parmi eux se détache l’acier, un matériau hautement polyvalent qui représente 80% des produits sidérurgiques et qui s’obtient d’un mélange de Fer (Fe) et de Carbone (C). La teneur en carbone des aciers ne dépasse pas 1,5%, tandis que dans les fontes brutes, qui sont également des alliages de Fe-C, la teneur en carbone est supérieure (entre 2 et 4,5 %), ce qui en améliore la dureté.
La norma UNE 36001 establece la siguiente clasificación de productos siderúrgicos: Hierros, aceros, fundiciones o arrabios, ferroaleaciones, conglomerados férreos y aleaciones férreas especiales. Destaca especialmente el acero, un material muy versátil que representa el 80% de los productos siderúrgicos y que se obtiene de la mezcla de Hierro (Fe) y Carbono (C). El contenido en carbono de los aceros no supera el 1,5%, mientras que en las fundiciones o arrabios, que también son aleaciones de Fe-C, el contenido en carbono es superior (entre un 2 y un 4,5 %), lo que le confiere una mayor dureza.
La chaux comme élément nécessaire à la purification du produit sidérurgique
Le processus sidérurgique est inconcevable sans l’emploi de chaux, qui a pour mission de modifier la composition des produits obtenus dans l’aciérie pour les purifier. Plus précisément, l’oxyde de calcium ou chaux vive peut exercer trois fonctions en sidérurgie :
- Formation du laitier : L’oxyde de calcium s’utilise pour la formation du laitier qui, entre autres avantages, accumule les déchets qui se produisent dans la composition de l’acier. De même, il le protège de certains éléments de l’atmosphère, comme l’azote ou l’hydrogène, et joue un rôle d’isolant pour maintenir les hautes températures auxquelles doit se dérouler le processus (1.600-1.800ºC).
- Déphosphoration : Le phosphore que contiennent le fer et la ferraille à partir desquels démarre le processus sidérurgique peut nuire gravement aux propriétés de l’acier. En grandes quantités, il réduit la ductilité du métal qui se craquèle alors facilement en le travaillant à froid. La chaux vive rajoutée au processus sidérurgique, en capturant le phosphore de l’acier, le ramène à des niveaux tels que sa ductilité n’est pas compromise.
- Désulfuration : Le soufre aussi peut endommager l’acier en le rendant plus fragile et en favorisant l’apparition de criques. C’est pourquoi l’emploi de chaux vive permet de réduire son % dans la composition de l’acier et d’atténuer son effet négatif.
En définitive, nous avons affaire à un processus de purification par rajout de chaux vive pour obtenir un produit ferreux doté de différentes propriétés. Un processus, comme le processus sidérurgique, qui peut emprunter deux voies de production : sidérurgie primaire et métallurgie secondaire.
Types de processus sidérurgiques
1) Sidérurgie intégrale ou primaire :
Elle a lieu dans un haut-fourneau (blast furnace) pour la fusion du métal et sa première purification. Le minerai de fer (iron ore) est introduit par le haut du four sous forme de granulés, avec le charbon ou le coke et la pierre calcaire (CaCO3) ou chaux (CaO), et de l’air chaud est insufflé par le bas afin de faciliter la combustion du coke qui agit en créant une atmosphère réductrice pour le fer.
Dans le bas du haut-fourneau, deux sortes de produit fondu s’accumulent :
- Fonte brute : C’est le fer liquide qui, plus dense, s’accumule au fond et doit être retiré du four pour le transporter à la fonderie ou à l’aciérie (métallurgie secondaire). Comme nous l’avons vu, la fonte brute est un alliage de fer/carbone, également appelé première fonte ou fonte de première fusion. Elle contient une importante proportion de carbone et d’impuretés qui seront réduites au cours des étapes suivantes.
- Laitier : Le laitier est formé par les impuretés fondues qui, étant moins denses, flottent sur la fonte brute. Il est éliminé du processus sidérurgique, mais récupéré par d’autres industries comme par exemple les cimenteries.
La calcite ou la chaux s’utilisent dans l’industrie sidérurgique pour leur action fondante qui permet de réduire la concentration d’impuretés dans l’acier (principalement la silice et l’alumine, mais aussi le soufre, phosphore…) en donnant lieu à ce qui est appelé laitier. Pour cela, de l’oxygène est soufflé à travers le fer fondu, ce qui entraîne la diminution du taux de carbone. En revanche, le silicium et le phosphore forment des oxydes qui, par réaction avec l’oxyde de calcium additionné donnent lieu à des composés stables de silicates de calcium et de phosphates de calcium qui sont éliminés sous forme de scories.
CaO (s) + SiO2 (s) → CaSiO3 (l)
Élimination du phosphore
3 CaO (s) + P4O10 (s) → Ca23(PO4) 2 (l)
2) Métallurgie secondaire :
Il s’agit du processus postérieur par lequel passe le matériau ferreux. Au cours de cette phase le four peut être alimenté en fonte brute, en ferraille ou un mélange des deux. Les objectifs de ce traitement secondaire sont de :
- Ajuster les éléments d’alliage : C, Mn, Nb, Ti, etc.
- Réduire la concentration en oxygène, hydrogène et azote.
- Ajuster les spécifications des impuretés non métalliques (phosphore et soufre).
- Éliminer les inclusions non métalliques, essentiellement les oxydes (Al2O3)
- Contrôler la morphologie de l’acier en calibrant la température.
Pour atteindre ces objectifs, différentes phases et additions de produits, parmi lesquels se trouve la chaux, vont être nécessaires. La métallurgie secondaire peut se diviser en grandes 3 phases :
Fusion
Elle se déroule normalement dans un four à arc électrique (HAE ou EAF). Pendant cette étape, de la chaux est à nouveau rajoutée comme agent fondant pour faciliter, d’un côté, à la formation du laitier (par précipitation des silicates) et, de l’autre, la déphosphoration de l’acier. Les impuretés finissent par flotter sous forme de laitier et, en les retirant, nous obtenons un acier de base, généralement un acier au carbone ou faiblement allié.
[C] + [O] = CO
Formation des scories
2(CaO) + [Si] + 2[O] = (2CaO.SiO2)
[Mn] + [O] = (MnO)
Déphosphoration
2[P] + 5[O] + 3(CaO) = (3CaO.P2O5)
Affinage
Dans la station d’affinage, qui a lieu dans un four à poche (HC ou LF), nous obtenons enfin un acier avec la composition finale recherchée. Cette phase de la métallurgie secondaire fait aussi appel à une addition de chaux, dans ce cas pour désulfurer l’acier. De plus, le calcium apporté par la chaux a pour effet de modifier la morphologie et la distribution des inclusions (les oxydes et sulfures qui se produisent à ce niveau), ainsi que d’augmenter la coulabilité de l’acier lors de la coulée continue postérieure. Cette opération donne comme résultat des aciers à très faible teneur en soufre et en gaz, très bien désoxydés et propres.
Pour obtenir des aciers inoxydables, comme la décarburation de l’acier doit être extrême (0.03% C), le processus d’affinage s’effectuera dans un convertisseur dit convertisseur AOD et non pas dans un four à poche. Ce procédé AOD exige également l’addition de chaux, tant pour la désulfuration que pour la déphosphoration et la formation du laitier.
Coulée
Une fois obtenue la composition voulue, vient le moment de refroidir l’acier, de le solidifier et de lui donner forme. Cette étape se déroule dans l’installation de coulée, où l’acier déposé dans les lingotières passe au travers de conduits réfrigérés d’où sont obtenus différents formats d’acier solide.
Postérieurement, certains produits sont traités dans des installations de laminage, où il se produit une déformation permanente qui met à profit la ductilité de l’acier. Les laminages peuvent se faire à chaud ou à froid jusqu’à obtenir des produits de type tôles, rails ou barres qui seront utilisés directement. Les produits Calcinor jouent à nouveau un rôle important dans les procédés de cette phase de laminage.
Les produits Calcinor dans la sidérurgie
Autant d’éléments qui, avec la chaux – vive et hydratée-, se révèlent essentiels pour cette grande industrie qu’est la sidérurgie.