Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

CHIMIE INDUSTRIELLE Quatrième partie LA CHIMIE INDUSTRIELLE METALLURGIQUE Notes

CHIMIE INDUSTRIELLE Quatrième partie LA CHIMIE INDUSTRIELLE METALLURGIQUE Notes rédigées par C. CHARLIER - I - Table des matières 1. Introduction............................................................................................................ 1 1.1. Etude des matériaux métalliques - Quelques définitions.......................... 2 1.2. Elaboration des métaux ........................................................................... 5 1.2.1. L'extraction des métaux.............................................................. 6 1.2.2. L'affinage des métaux................................................................. 9 1.3. Etapes du procédé complet de métallurgie.............................................. 9 1.3.1. Traitement du minerai et traitement du combustible................... 9 1.3.2. Elaboration dans le réacteur..................................................... 10 1.3.3. Séparation de la gangue........................................................... 10 1.3.4. Affinage de l'alliage................................................................... 11 1.3.5. Additions éventuelles................................................................ 11 1.3.6. Traitements divers.................................................................... 11 1.3.6.1. Mise en forme ............................................................. 11 1.3.6.2. Traitements thermiques .............................................. 11 1.3.6.3. Traitements de surface ............................................... 12 2. La Sidérurgie ....................................................................................................... 14 2.1. Introduction ............................................................................................ 14 2.2. Extraction du fer..................................................................................... 17 2.2.1. Matières premières du réacteur haut-fourneau......................... 18 2.2.1.1. Minerai de fer.............................................................. 18 2.2.1.2. Combustible................................................................ 19 2.2.1.3. Fondants..................................................................... 19 2.2.1.4. Oxygène ou air............................................................ 20 2.2.1.5. Remarque pour l'eau................................................... 21 2.2.2. Réacteur d'extraction du minerai .............................................. 22 2.2.2.1. Caractéristiques du haut-fourneau.............................. 22 2.2.2.2. Les réactions dans le haut-fourneau........................... 23 2.2.2.2.1. Réactions dans la zone de préchauffage .................................. 24 2.2.2.2.2. Réactions dans la zone d'égalisation ........................................ 25 2.2.2.2.3. Réactions dans la zone de BOUDOUARD................................ 25 2.2.2.2.4. Réactions dans la zone de fusion.............................................. 26 2.2.2.2.5. Réactions dans la zone métallurgique....................................... 26 2.2.2.2.6. Réactions dans la zone de combustion..................................... 27 2.2.2.2.7. Réactions dans la zone du creuset ........................................... 27 2.2.3. Analyse des produits obtenus................................................... 27 2.2.3.1. La fonte....................................................................... 27 2.2.3.2. Le laitier ...................................................................... 28 2.2.3.3. Les gaz ....................................................................... 28 2.2.4. Dimensions du haut-fourneau................................................... 29 2.3. Elaboration de l'acier.............................................................................. 30 2.4. Le procédé sidérurgique complet........................................................... 33 2.5. Les aciers alliés ..................................................................................... 35 3. La Métallurgie des non ferreux ............................................................................ 36 3.1. Introduction ............................................................................................ 36 - II - 3.2. Les principaux métaux non ferreux en revue ......................................... 36 3.2.1. Antimoine ................................................................................. 37 3.2.2. Argent....................................................................................... 37 3.2.3. Cadmium.................................................................................. 37 3.2.4. Calcium .................................................................................... 38 3.2.5. Chrome..................................................................................... 38 3.2.6. Cobalt....................................................................................... 39 3.2.7. Etain ......................................................................................... 39 3.2.8. Germanium............................................................................... 40 3.2.9. Hafnium.................................................................................... 40 3.2.10. Lithium.................................................................................... 40 3.2.11. Magnésium............................................................................. 41 3.2.12. Manganèse............................................................................. 41 3.2.13. Mercure .................................................................................. 42 3.2.14. Nickel...................................................................................... 42 3.2.15. Or ........................................................................................... 43 3.2.16. Platine .................................................................................... 43 3.2.17. Potassium............................................................................... 43 3.2.18. Sodium ................................................................................... 44 3.2.19. Tungstène............................................................................... 44 3.2.20. Uranium.................................................................................. 44 3.2.21. Vanadium ............................................................................... 45 3.2.22. Zirconium................................................................................ 45 3.2.23. Données physiques des métaux courants.............................. 46 3.3. L'aluminium............................................................................................ 47 3.3.1. Généralités............................................................................... 47 3.3.2. Elaboration ............................................................................... 48 3.3.3. Applications.............................................................................. 49 3.4. Le cuivre ................................................................................................ 50 3.4.1. Généralités............................................................................... 50 3.4.2. Elaboration ............................................................................... 51 3.4.2.1. Métallurgie par voie sèche .......................................... 51 3.4.2.2. Métallurgie par voie humide........................................ 52 3.4.3. Applications.............................................................................. 52 3.5. Le titane ................................................................................................. 53 3.5.1. Généralités............................................................................... 53 3.5.2. Elaboration ............................................................................... 53 3.5.3. Applications.............................................................................. 54 3.6. Le zinc.................................................................................................... 55 3.6.1. Généralités............................................................................... 55 3.6.2. Elaboration ............................................................................... 55 3.6.3. Applications.............................................................................. 56 3.7. Le plomb ................................................................................................ 56 3.7.1. Généralités............................................................................... 56 3.7.2. Elaboration ............................................................................... 57 3.7.3. Applications.............................................................................. 57 4. Résumé sur l'industrie métallurgique................................................................... 58 5. Bibliographie........................................................................................................ 60 6. Questions relatives au chapitre ........................................................................... 61 - III - 7. Thèmes du chapitre............................................................................................. 65 8. Index.................................................................................................................... 66 Chimie Industrielle Métallurgique - 1 - L'INDUSTRIE METALLURGIQUE "Giving up, it's the ultimate tragedy," R. J. Donovan 1. Introduction L'industrie métallurgique fait historiquement partie des plus anciennes industries car elle est basée sur la confection d'ustensiles efficaces dont l'homme a toujours eu un grand besoin (outils, armes, etc.). L'origine de la métallurgie du fer est située à 6000 ans avant ce sacré J.C. Le fer est un des plus importants éléments, c'est le plus abondant et il est reconnu pour des propriétés mécaniques, comme la résistance et la dureté, bien supérieures à celles d'autres métaux usités comme l'or, le cuivre, le zinc, le plomb, l'aluminium, etc. Pendant longtemps, la puissance d'un pays s'est mesurée à son industrie métallurgique, mais il faut reconnaître qu'actuellement, d'autres critères industriels interviennent, comme le prix de l'énergie, l'environnement, etc. Cependant, la métallurgie occupe encore et toujours une place importante dans l'économie puisqu'elle couvre environ 30% du marché de l'industrie chimique. Cette industrie utilise des matières premières accessibles et en grande quantité considérable. S'il n'est plus besoin de citer l'air et l'eau, les minerais contenant les métaux sont les matières premières essentielles de la métallurgie, sans oublier d'y inclure le minerai de charbon qui est utilisé comme combustible et très souvent comme réactif. Cela sous-entend qu'il peut intervenir aussi bien dans le produit final que comme agent chimique de réaction. Au point de vue de l'étude, il est généralement considéré que la métallurgie se scinde en deux grandes parties : - l'étude des matériaux, c'est-à-dire la connaissance de l'état métallique et des diagrammes liquide-solide (L-S) car les procédés et les divers traitements sont Chimie Industrielle Métallurgique - 2 - basés sur la compréhension du comportement des métaux et surtout des mélanges de métaux. Cette étude constitue la base nécessaire et préalable à la partie suivante. - L'élaboration des métaux et alliages, c'est-à-dire l'industrie et les procédés métallurgiques eux-mêmes afin d'obtenir un alliage ou un métal[1] qui est conforme à des spécifications précises (économiques, mécaniques, etc.) en vue d'une utilisation déterminée. La métallurgie est actuellement considérée comme un secteur de la chimie industrielle, car, comme en chimie minérale ou en chimie organique, elle implique des transformations de matières par des réactions chimiques, ainsi que des processus de mises en œuvre, de séparations et de purification. Cependant, les réactions chimiques des procédés de métallurgique chimique sont souvent très difficiles. Elles se déroulent généralement à haute température (supérieure à 1000 C et même plus), donc à l'aide de beaucoup d'énergie. Il en est ainsi parce que les procédés partent des minerais, qui sont des matériaux plutôt stables dans la nature. Pour obtenir les éléments métalliques à l'état natif, il faut donc fournir beaucoup de chaleur, puisque cela revient à inverser la formation des minerais (oxydes, sulfures, etc.) qui est exothermique et en quelque sorte spontanée. La métallurgie extractive ou l'extraction et l'enrichissement des minerais, etc., (voir avantageusement la littérature sur l'étude des matériaux) et la métallurgie de transformation ou traitements de surface, additions, mise en forme, etc., viennent s'ajouter à la métallurgie chimique, pour constituer l'ensemble des opérations de la métallurgie. 1.1. Etude des matériaux métalliques - Quelques définitions Sans pour autant se submerger de connaissances (voir autres cours ou littérature), il faut statuer sur quelques définitions si utiles et si nécessaires au bon petit métallurgiste qui veut aussi bien se faire comprendre que comprendre les autres. Par exemple, il faut savoir ce qui caractérise un métal, connaître clairement la différence entre un métal pur et un alliage, ce qu'est un cristal, ce qu'est la liaison métallique, etc. Dans le tableau périodique de MENDELEEV, les trois quarts des éléments sont des métaux. Un métal se distingue d'un non métal (ou amétal) par un ensemble [1] Une petite remarque consiste à dire que métal et alliage sont généralement confondus dans la même notion car un métal pur et utile n'existe pratiquement pas. D'ailleurs, le métal seul, à quelques exceptions près, n'a pas les propriétés requises pour les utilisations courantes et par conséquent, pas beaucoup d'applications industrielles. Si l'or est généralement utilisé pur, l'avidité pour l'or n'est pas reconnue comme activité industrielle (enfin pas officiellement). Chimie Industrielle Métallurgique - 3 - spécifique de propriétés physiques, mécaniques et chimiques. Sans entrer dans les détails, on peut dire que : - les propriétés physiques comme la masse volumique et les températures de transition sont assez élevées, - les propriétés mécaniques comme la résistance et la dureté sont aussi assez élevées, - les propriétés chimiques sont plutôt réductrices. Au niveau des propriétés, un métal pur ne va pas se comporter comme un alliage qui est un ensemble d'au moins deux métaux. L'alliage est d'ailleurs constitué dans l'espoir d'une synergie des propriétés de chaque métal. Quand un alliage est sous forme liquide ou en fusion et qu'il se refroidit, la solidification de l'alliage se produit sur un intervalle de température et non une température unique, qui va varier avec la composition de l'alliage. Ces phénomènes sont en général reportés sur des diagrammes S-L (solide-liquide) pour les mélanges binaires (à deux composants) et les figures ci-dessous présentent quelques exemplaires diversifiés parmi les plus (re)connus. liquidus solidus 0 1 T 0 1 T 0 1 T 0 1 T Exemple : Ni-Cu , Fe-Mn le plus répandu Exemple : Fe-Cr, Fe-Ni, Ni-Au Exemple : Sn-Pb Exemple : Pt-Au solution solide ! ! " ! " L L L E E E1 + E E + E2 E1 E2 Mélange eutectique Mélange péritectique E1 E2 E1 + E2 P L S L'analogie avec les diagrammes L-V est assez frappante. L'établissement de ces diagrammes est principalement expérimental et en tout cas nécessaire à l'étude des procédés métallurgiques. Chimie Industrielle Métallurgique - 4 - Un alliage est très souvent majoritairement binaire ou ternaire. Les autres éléments sont ou doivent être en quantités suffisamment négligeables pour ne pas influencer les propriétés globales des métaux dominants de l'alliage. Cependant, il doit être précisé que l'action des éléments peut varier très fort de l'un à l'autre et que des proportions parfois minimes de certains peuvent vite influencer les propriétés d'un alliage. Industriellement parlant, cela montre l'importance capitale de l'obtention uploads/Industriel/ chind-meta.pdf