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De la mine à l’acier

01.Petit voyage dans le temps

1.1 l’acier, un métal qui a changé le monde,
Les Âges des Métaux : Âge du Cuivre, Âge du Bronze, Âge du Fer

Il y a bien longtemps, à l’âge du fer, nos ancêtres se sont dit :

“Le bronze, c’est sympa, mais c’est un peu trop malléable quand on tape dessus…”En chauffant des pierres de minerai dans de simples fours à charbon, ils ont découvert un métal plus dur, plus costaud : le fer. Mais ce n’était pas encore parfait Trop de carbone, et hop, ça casse comme du verre (la fonte). Pas assez, et c’est tout mou ! Il leur a fallu plusieurs siècles pour trouver le bon mélange : un peu de fer, un soupçon de carbone…

« Et boum, l’acier était né ! »

Les premiers outils et armes en acier apparaissent vers 1200 avant J.-C., chez les Hittites en Anatolie, actuelle Turquie. À l’époque, c’était presque un métal magique : rares étaient ceux qui savaient le fabriquer. Puis, les Romains ont perfectionné les techniques de forge. Pour fabriquer épées, clous, outils, chars, etc. Tout ce qu’il fallait pour construire un empire.

Depuis, l’acier n’a jamais quitté l’histoire humaine : Des épées médiévales aux ponts d’Eiffel, des roues de train aux garde-corps que vous fabriquez à l’atelier…

1.2. Définition de l’acier

L’acier est un alliage métallique composé principalement de : Fer (Fe) : élément de base. Et de Carbone (C) : en petite quantité, généralement entre 0,02 % et 2 %.
C’est la quantité de carbone qui distingue l’acier de la fonte :Si le carbone est inférieur à 2 % → Acier et Si le carbone est supérieur à 2 % → Fonte
En résumé : L’acier est du fer amélioré par une petite quantité de carbone, ce qui le rend plus résistant et plus malléable que la fonte.

1.3 Les usages de l’acier en métallerie:

En métallerie, l’acier est le matériau le plus utilisé car il combine plusieurs qualités :

·Résistance mécanique élevée
Bonne soudabilité
·Facilité de mise en forme (pliage, perçage, assemblage)
·Coût modéré

Applications concrètes en atelier de métallerie

Ossatures métalliques (portails, garde-corps, escaliers)
Structures et châssis
Ferronnerie, serrurerie, mobilier métallique
·Barreaudages, charpentes, rampes

02. L’exploitation minière

2.1 Les gisements de minerai de fer dans le monde et en France

Le fer ne se trouve pas directement sous forme de métal dans la nature. Il est contenu dans des roches qu’on appelle des minerais de fer. Ces minerais contiennent du fer combiné à l’oxygène on parle d’oxydes de fer. Le minerai de fer n’est pas rare, on en trouve en grande quantité à la surface de la terre.

Le fer est l’élément chimique de numéro atomique 26, de symbole Fe.

2.2 Les deux principaux minerais de fer sont :

Hématite (Fe₂O₃) → de couleur rouge brut
Magnétite (Fe₃O₄) → noire et magnétique

2.3 Les principaux pays producteurs d’acier : la carte du monde sidérurgique

Pays	2024		2023
Pays	Classement	Tonnage	Classement	Tonnage
Chine	1	1005.1	1	1022.5
Inde	2	149.6	2	140.8
Japon	3	84.0	3	87.0
États-Unis d’Amérique	4	79.5	4	81.4
Russie	5	70.7	5	76.0
Corée du Sud	6	63.5	6	66.7
Allemagne	7	37.2	7	35.4
Türkiye	8	36.9	8	33.7
Brésil	9	33.7	9	32.0
Iran	10	31.0	10	30.7
Viet Nam	11	22.1	12	19.2
Italie	12	20.0	11	21.1
Taïwan, Chine	13	19.1	13	19.1
Indonésie	14	17.0	14	16.8
Mexique	15	13.7	15	16.4
Canada	16	12.2	16	12.2
Espagne	17	11.8	17	11.4
France	18	10.8	19	10.0

Les principaux pays producteurs d’acier : la carte du monde sidérurgique

En 2024 : la chine, l’inde, le japon, les USA, la Russie, la Corée du sud, Allemagne, ….. en 18em place la France ..

Ce sont eux qui alimentent aujourd’hui la majorité des aciéries du monde.

En France, les anciens gisements les plus connus se trouvaient en lorraine, dans le bassin de briey-longwy-thionville. Ces mines ont fermé dans les années 1980, mais elles ont longtemps fait vivre toute une région

2.4 . L’extraction du minerai de fer

Le minerai est extrait de la terre dans de grandes mines à ciel ouvert ou souterraines.

Une fois extrait, il subit plusieurs étapes :

1.Le concassage → on casse les gros blocs en morceaux plus petits.
2.Le tri et le lavage → on retire les impuretés (terre, silice, sable…).
3.L’agglomération ou la pelletisation → on transforme les fines poussières en boulettes compactes appelées pellets.
Ces boulettes sont prêtes à être fondues dans le haut-fourneau

Exemple de mine à ciel ouvert ici mine de diamant :

3.De la mine au haut-fourneau

3.1 On introduit du minerai de fer et du coke dans le haut fourneau.

Le coke:
Le coke est obtenu par distillation de la houille dans un four à l’abri de l’air. L’usine où l’on fabrique le coke est appelée cokerie

La houille:
La houille est une roche carbonée elle contient une certaine quantité de carbone
(70 à 90 %). On la trouve dans les mines.

3.2 La fonte et le laitier

Parmi les coproduits issus d’un haut fourneau, on peut citer :

•le laitier de haut fourneau, valorisé dans les travaux publics. Pour un haut fourneau fonctionnant avec des minerais de fer riches, on atteint généralement une proportion 317 kg de laitier de manière Régulière pour 1 tonne de fonte produite.
•le gaz récupéré au gueulard, qui correspond à l’air chaud injecté au creuset, dont l’oxygène est devenu du monoxyde de carbone, est un bon combustible

A cette étape il y à récupération de la fonte :

3.3 De la fonte à l’acier

Les procédés de conversion à l’aide du convertisseur à oxygène
1. Introduction de la ferraille issue du recyclage et de la fonte liquide dans le convertisseur à oxygène :

2. Introduction de l’oxygène :

Récupération du mélange: à ce stade nous avons un alliage de métal non défini

3. Etape de l’affinage
L’ajout d’élément d’addition (nickel, chrome etc..) détermine les propriétés mécaniques de l’acier

3.4 La coulée mécanique :

L’acier en fusion s’écoule en continu dans le moule sans fond. En traversant ce moule, il commence à se solidifier au contact des parois refroidies à l’eau. Le métal moulé descend guidé par un jeu de rouleaux, et continue de se refroidir. Arrivé à la sortie, il est solidifié à cœur. Il est immédiatement coupé aux longueurs voulues

Brame : C’est la matière première utilisée pour la fabrication des tôles.
Bloom : s’emploie pour les produits de grosse section généralement rectangulaire qui seront transformés en grosses poutrelles, rails ou palplanches.
Billette : Pour le laminage des fils, petites poutrelles, barres petite section (carrée ,rond etc..)

Processus de fabrication de poutre en H :

3.5 Laminage a chaud

Le laminage à chaud :
Les brame chauffés à 800 – 1200°C. L’acier est réchauffé à haute température et écrasé en continu, se qui nous donne des produit plat et long.

Pour résumer :

4. Les grandes familles d’aciers

4.1 Les aciers non alliés (courants)

•Les aciers non alliés sont composés uniquement de fer et de carbone, avec parfois des traces naturelles d’autres éléments (soufre, phosphore, silicium…). Leur teneur en carbone varie entre 0,02 % et 0,8 %, ce qui influence leur dureté et leur résistance. Ce sont les aciers les plus utilisés en métallerie et en construction.

•Cette simplicité ne doit pas faire oublier sa polyvalence. En effet, selon sa teneur en carbone, ses propriétés peuvent varier considérablement.
•Un acier à faible teneur en carbone sera facile à travailler et à souder, idéal pour la construction de structures ou la fabrication de tôles. Augmentez la teneur en carbone, et vous obtiendrez un acier plus dur, parfait pour les outils ou les ressorts.
•Cependant, cette dureté accrue s’accompagne d’une plus grande fragilité et d’une sensibilité à la corrosion.
•Dans notre quotidien, l’acier au carbone est partout. Il forme l’ossature de nos bâtiments, constitue la carrosserie de nos voitures, et se retrouve dans de nombreux outils de notre boîte à bricolage

Exemples :

Usages :

·Charpentes métalliques
Garde-corps
Portails, escaliers
Serrurerie générale

4.2 Les aciers alliés (avec chrome, nickel, manganèse…)

Les aciers alliés contiennent, en plus du fer et du carbone, un ou plusieurs éléments d’alliagequi modifient leurs propriétés.
Ces éléments peuvent être :

Chrome (Cr) → améliore la dureté et la résistance à la corrosion
Nickel (Ni) → augmente la résistance et la ténacité
Manganèse (Mn) → améliore la résistance à l’usure
Molybdène (Mo) → renforce la tenue à haute température
Vanadium (V) → améliore la résistance à la fatigue

En résumé : On “assaisonne” l’acier avec différents éléments pour lui donner des qualités particulières, un peu comme un chef ajoute des épices à sa recette !

Usages :

Outillage, pièces mécaniques de précision Engins de chantier, outillages de coupe Visserie haute résistance.

4.3 Les aciers inoxydables

Les aciers inoxydables sont des aciers alliés avec au moins 10,5 % de chrome et souvent du nickel. Le chrome forme une fine couche protectrice d’oxyde à la surface du métal, empêchant la corrosion, à l’oxydation à chaud et au fluage (déformation irréversible). Ils sont essentiellement alliés au chrome, élément qui confère la propriété d’inoxydabilité, et au nickel, élément qui confère de bonnes propriétés mécaniques. Les aciers inoxydables sont classés en quatre familles : ferritique, austénitique, martensitique et austéno-ferritique. Les aciers inoxydables austénitiques sont les plus malléables et conservent cette propriété à très basse température (−200 °C).

Leurs applications sont multiples : chimie, nucléaire, alimentaire, mais aussi coutellerie et équipements ménagers. Ces aciers contiennent au moins 10,5 % de chrome et moins de 1,2 % de carbone.

Il existe plusieurs familles d’inox

Inox austénitiques (ex : 304, 316) → non magnétiques, très résistants à la corrosion (ex : garde-corps, cuisines, milieux marins)
Inox ferritiques(ex : 430) → magnétiques, utilisés en décoration, mobilier, électroménager
Inox martensitiques (ex : 410) → plus durs, utilisés pour les couteaux et outils

4.4 Tableau de comparaison : composition, propriétés, usages.