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10 t e c h n o l o g i e 1 6 3 s e p t e m b r e - o c t o b r e 2 0 0 9 10 t e c h n o l o g i e 1 6 3 s e p t e m b r e - o c t o b r e 2 0 0 9 est vers le ve siècle de notre ère que les Celtes découvrent la transformation du fer en acier. Ils sont les premiers à réaliser des ustensiles et des armes forgés à partir d’un mélange de fer et d’acier. Ce nou- veau métal sera appelé plus tard, vers le Moyen Âge, l’acier de Damas. Dans les années 1720, le Français René-Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) établit les principes de base de la sidérurgie moderne ; il est notamment le premier à démontrer que l’acier contient du carbone. Entre 1740 et 1750, un Anglais, Benjamin Huntsmann, réussit à obte- nir pour la première fois de l’acier par fusion du fer, lui-même produit par affinage de la fonte, dans un creuset d’une capacité de 10 à 12 kg environ, chauffé au coke soufflé (agglomé- rat charbonneux obtenu par distilla- tion de la houille). C’est l’origine de l’acier fondu. Mais la véritable révolution fut sans conteste l’invention du convertisseur en 1855. C’est une sorte de cornue géante dont les parois intérieures sont en briques réfractaires et dans laquelle on affine la fonte en fusion, en faisant circuler un violent courant d’air au travers de celle-ci, la transformant ainsi directement en acier. Vers la fin du xixe siècle, le déve- loppement de l’électricité a des répercussions sur l’élaboration de l’acier. Le four à arc électrique voit le jour, et, au début du xxe siècle, les hauts-fourneaux sont électrifiés. Plus tard encore apparaissent les fours nèse (Mn), le chrome (Cr), le nickel (Ni) et le molybdène (Mo). l Les éléments d’accompagnement L’aciériste les utilise afin de maîtriser les diverses réactions physico-chimi- ques nécessaires à l’obtention en final à induction qui remplaceront partout les vieux creusets. Composition et propriétés Les aciers étant des alliages de fer, leur densité est proche de celle de ce dernier (qui va de 7,32 à 7,86), suivant leur composition chimique et leurs traitements thermiques. Celle d’un acier inoxydable est typiquement un peu supérieure à 8 ; elle est par exemple d’environ 8,02 pour le type AISI 304 (X2CrNi18-10). Ils ont un module de Young d’envi- ron 210 000 MPa, indépendamment de leur composition. Les autres propriétés varient énormément en fonction de leur composition, du traitement thermomé- canique et des traitements de surface auxquels ils ont été soumis. Les éléments chimiques présents dans l’acier peuvent être classés en trois catégories : l Les impuretés Originellement présentes dans les ingrédients de haut-fourneau, elles permettent l’élaboration de la fonte qui servira à fabriquer l’acier. Ce sont le soufre (S) et le phosphore (P) du coke, mais aussi le plomb (Pb) et l’étain (Sn) d’aciers de récupération ainsi que nombre d’autres éléments à bas point de fusion comme l’arsenic (As) ou l’antimoine (Sb). l Les éléments d’addition Ajoutés de manière intentionnelle, ils confèrent au matériau des pro- priétés de résistance à des sollicita- tions mécaniques ou à des agressions chimiques ou à une combinaison des deux. Les principaux sont le manga- Après le cuivre, l’aluminium, la fonte, nous nous intéressons à l’acier, un matériau aux grandes capacités omniprésent dans notre quotidien. mots-clés lycée professionnel, lycée technologique, matériaux, postbac, prébac L ’acier dans tous ses états STéPHANE GASTON[1] [1] Professeur de construction mécanique au lycée Denis-Papin de La Courneuve (93). © ARCELORMITTAL 1 La production de l’acier en filière fonte Quai Agglomération Cokerie Hauts-fourneaux Minerai de fer Charbon Convertisseur O2 Traitement en poches Coulées continues Train à bandes Fonte liquide 1 500 oC Brame Oxycoupage Four de réchauffage Tôle Acier liquide primaire s e p t e m b r e - o c t o b r e 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 3 11 s e p t e m b r e - o c t o b r e 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 3 11 d’un acier conforme à la spécification. Ce sont notamment l’aluminium, le silicium, le calcium… Les procédés d’élaboration l La filière fonte Le minerai de fer additionné de coke convertisseur, on insère 20 tonnes de ferrailles, par-dessus, 220 tonnes de fontes, et, après chauffage, on obtient environ 240 tonnes d’acier. Puis l’oxygène insufflé se combine avec le carbone pour former un gaz, l’oxyde de carbone, débarrassant ainsi la fonte d’une partie de son carbone 1 . passant par un haut-fourneau produit de la fonte, qui, après élimination d’une partie des impuretés et du carbone qu’elle contient, donnera l’acier. Pour cela, on utilise un conver- tisseur à oxygène qui va chauffer la fonte à 1 670 °C grâce à des tuyères qui insufflent de l’oxygène. Dans le 2 L’électrode incandescente d’un four à arc électrique © ARCELORMITTAL 12 t e c h n o l o g i e 1 6 3 s e p t e m b r e - o c t o b r e 2 0 0 9 l La filière électrique On peut également produire de l’acier par recyclage, à partir de la récupéra- tion de l’acier des voitures, des bateaux et autres objets courants. Cette filière offre l’avantage de consommer deux fois moins d’énergie que la filière fonte. On place la ferraille dans un four électrique dans lequel on plonge des électrodes qui permettent de fondre le métal 2 . L’acier produit par chacune des deux filières est appelé acier sauvage. Il sera dirigé dans la station d’affinage pour être enrichi en éléments d’addi- tion (aluminium, manganèse, silicium, etc., et parfois du carbone en petite quantité pour renforcer les liaisons fer-carbone) selon sa destination. Les subtilités de mélanges permettent d’obtenir des nuances d’acier qui sont exprimées dans un diagramme appelé diagramme fer-carbone. Les coulées continues donnent des produits élémentaires – billettes (lon- gues poutres), blooms (longues pou- tres de grosses sections) et brames (longues et larges poutres). Ces élé- ments sont ensuite déformés et étirés en laminage à chaud 3 pour obtenir des poutrelles, des rails 4 , des fils, des plaques, des tôles d’environ 2 mm d’épaisseur. La section de ces produits semi-finis est en général supérieure à 2 500 mm2. Ensuite, l’étape du laminage à froid permet de réduire l’épaisseur des tôles à quelques dixièmes de milli- mètre 5 et de fabriquer des profilés avec une section préformée (en I, en H, en U…), des palplanches 6 , des câbles 7 … Les différentes familles Les aciers se classent en plusieurs familles 8 : l Les aciers non alliés De types S (d’usage général) ou E (uti- lisés en construction mécanique), ils ne conviennent pas aux traitements ther- miques. Ils servent en structure métal- lique, construction automobile…, et peuvent être assemblés ou soudés. Les inoxydables L es aciers inoxydables sont présents dans d’innombrables objets de la vie quotidienne de tous les domaines : indus- trie mécanique, agroalimentaire, chimie, transports, médecine, chirurgie, etc. Ce sont des aciers, alliages de fer et de carbone, auxquels on ajoute essentiellement du chrome qui, au-delà de 12 à 13 %, produit la résistance souhaitée à l’oxydation. Contrairement à ce que l’on croit générale- ment, ce métal est très réactif du point de vue chimique, et il est en particulier très… oxydable, mais son oxyde forme une véri- table peau à la fois transparente et protec- trice. Allié au fer et au nickel, il provoque la formation d’un composé de surface oxydé capable de ralentir ou même d’arrêter totale- ment la corrosion. Le chrome et le nickel s’oxydent ainsi : 4 Cr + 3 O2 = = > 2 Cr2O3 2 Ni + O2 = = > 2 NiO Le fer ne réagit pas avec le dioxygène, c’est donc le fer qui est rendu inoxydable et non l’acier véritablement a . Pour être classé dans la catégorie inoxydable, un acier doit contenir au moins 12 % de chrome. Voici les aciers inoxydables les plus courants : l X2CrNi18-10 (304L) : réalisation d’ouvrages toutes qualités l X2CrNiMo17-12 (316L) : industries chimique, pharmaceutique, pétrolière, agroalimen- taire b , milieu nautique… l X8Cr17 (430) : électroménager, éviers… l X6CrTi12 (409) : échappements automo- biles, fourneaux… Outre la résistance à la corrosion qui les cara- ctérise, les aciers inoxydables possèdent une autre qualité déterminante : la résistance mécanique. La plupart des aciers inoxydables utilisés sont conformes à des normes (analyse chimique en pourcentage pondéral) européennes (norme EN 10088 en particu- lier) ou américaines (normes de l’AISI), pour lesquelles L signifie low carbon (bas carbone), H high carbon (haut carbone) c . D’autres normes existent, mais sont peu connues internationalement. a Un lot de vis oxydées b Un meuble de plonge c Le tableau d’équivalence uploads/Industriel/ acier-pdf.pdf