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République Démocratique du Congo UNIVERSITE DE LUBUMBASHI FACULTE POLYTECHNIQUE

République Démocratique du Congo UNIVERSITE DE LUBUMBASHI FACULTE POLYTECHNIQUE Service de métallurgie extractive NOTES DU MODULE SIDERURGIE PREMIERE PARTIE par : Dr. Ir Gaby ILUNGA MUTOMBO Professeur Ordinaire Premier Master Métallurgie Année Académique : 2016 -2017 Chapitre I. INTRODUCTION I.1. Définition Métallurgie du Fer => ensemble des procédés d’élaboration et de transformation du Fer et de ses alliages (Fontes et aciers). I.2. Objectif Fabrication au meilleur coût des produits finis ou semi-finis (presque toujours en acier) qui répondent par leur composition et leurs propriétés aux désidératas des utilisateurs. I.3. Importance de la Sidérurgie Base de la révolution industrielle du 19ème siècle. La production et la consommation d’acier par habitait sont de très bons indices du degré d’industrialisation d’un pays. I.3.1 L’acier et son importance L’acier a occupé depuis la nuit des temps, et occupe encore, une place de plus en plus importante dans l’activité humaine. Son utilisation est témoin de l’évolution de l’Homme. Il est omniprésent, on le trouve dans tous les domaines économiques, médicaux, artistiques, etc. et est considéré comme un moyen pour mesurer le niveau d’avancement de pays ou de civilisations. Sa présence est indispensable pour de nombreuses utilisations qui vont de la construction de bâtiments, la fabrication de voitures, et 2 celle des appareils électroménagers, des montres, des instruments médicaux ou encore des armes (figure 1). Il jouit également d’un statut de matière stratégique et la course à cette matière conduit parfois à des conflits surtout pour l’approvisionnement en minerai de fer, matière première essentielle à l’élaboration de l’acier avec le coke. L’acier est un alliage métallique constitué de plusieurs éléments chimiques principalement le fer Fe, le carbone C (dont la fraction massique ne dépassant pas les 2%), le soufre S, la silice Si, le phosphore P et bien d’autres éléments. Les principales matières premières à son élaboration sont le minerai de fer, le coke et le charbon pour des besoins énergétiques, du moins pour l’élaboration d’acier dit de première fusion, c’est-à-dire fabriqué à partir de minerai. Mais, notamment de par ses propriétés magnétiques qui facilitent sa récupération, l’acier est un matériau facilement recyclable. On peut donc produire de l’acier, dit de seconde fusion, par le recyclage et la refusion de ferrailles. L’intérêt de cette filière est qu’elle préserve les ressources et qu’elle demande beaucoup moins d’énergie pour la fabrication de l’acier. Au niveau mondial, environ 40% (worldsteel) de l’acier aujourd’hui est produit à partir de ferrailles recyclées. Figure 1 : Différentes utilisations d’acier dans l’activité humaine. 3 Remarques : 1. A l’heure actuelle, la sidérurgie se trouve au ralenti parce que : a. L’augmentation exagérée des capacités de production qui a créé un déséquilibre trop important entre l’offre et la demande. b. L’augmentation du coût des matières premières (notamment l’énergie) a modifié fondamentalement certains ratios économiques (Exemple en Belgique, le prix des matières premières représente environ 40 % du prix de revient de l’acier élaboré). c. La dispersion géographique de la production qui fait que les pays à bas salaires comme la Corée du Sud entraînent une concurrence de plus en plus sévère aux pays occidentaux où la main d’œuvre coûte chère. Ces 3 facteurs ont contribué à perturber le commerce mondial de l’acier. 2. Certains facteurs d’ordre technique ont profondément transformé les procédés métallurgiques proprement dits. a. De l’introduction d’opérations métallurgiques intermédiaires entre l’élaboration proprement dite et la solidification (métallurgie hors du four) qui permettent d’obtenir des nuances d’acier de plus en plus précises et de plus en plus soignées sur le plan de la qualité. b. Du développement rapide de la coulée continue de l’acier qui permet d’économiser à la fois du métal et de l’énergie. c. De l’automatisation croissante des procédés qui permet d’augmenter la fiabilité et la productivité des usines sidérurgiques. I.4 Les grandes filières d’élaboration de l’acier I.4.1 Description Les matières premières de la métallurgie du fer sont le minerai et la ferraille (Fer recyclé). La transformation des matières premières en acier liquide nécessite la mise en œuvre d’une série d’opérations unitaires qui sont : - La réduction des oxydes de fer ; 4 - La fusion de l’oxyde réduit ; - L’élimination de la gangue ; - L’affinage du métal brut et la mise à nuance de l’acier obtenu La combinaison de ces différentes opérations permet d’obtenir une filière, c’est-à-dire une suite logique d’opérations unitaires permettant de passer du minerai ou de la ferraille à l’acier. On distingue 3 filières distinctes : 1° Filière classique : Schéma de principe : COKE H - F H-F FONTE CONVERTISSEUR A L’OXYGENE PUR Figure 2 : Filière Classique ACIER LIQUIDE La filière classique est basée sur la production de la fonte liquide au H- F et sur la conversion de cette dernière par soufflage d’oxygène pur dans un convertisseur. Elle est utilisée dans toutes les grandes usines sidérurgiques. 5 - Réduction des oxydes de fer. - Séparation de la gangue. - Fusion de l’oxyde réduit. Injection d’Oxygène ------- - - - - - - - Affinage du métal brut. Minerais de fer 2° Filière réduction directe (sans coke) : Schéma de principe : ENERGIE - Réduction des oxydes de fer. REACTEUR REDUCTION - Élimination de la gangue DE PREREDUCTION - Fusion + affinage du métal. - Mise à nuance de l’acier. - Élimination de la gangue. FOUR ELECTRIQUE A ARC ACIER LIQUIDE Figure 3 : Filière Réduction Directe - La filière réduction directe associe un ou plusieurs four (s) de pré réduction des minerais de fer à un four électrique à arcs de grande capacité. - Dans l’installation de pré-réduction, on effectue la réduction des oxydes de fer par un gaz réduction préparé à l’extérieur du réacteur. Contrairement au H-F, la réduction ne concerne que les oxydes de fer et n’est d’ailleurs jamais complète d’où on parle de la pré-réduction. 6 MINERAIS DE FER - Dans le four électrique à arcs, on effectue la fusion et l’affinage du métal ainsi que la séparation de la partie de la gangue qui n’a pu être éliminée au stade précédent (concentration du minerai de fer). Comme dans la filière classique, on obtient en fin d’affinage un métal qui est du fer presque pur contenant en solution de faibles quantités d’éléments dissous. Ce métal est ensuite mis en poche où il est successivement désoxydé et mis à nuance avant d’être coulé. - Du point de vue énergétique, la 2ème filière se distingue de la première par les 3 points suivants : a. Elle permet de se passer du coke et des charbons coûteux que la fabrication de celui-ci nécessite. Certains procédés de pré-réduction peuvent toutefois utiliser une certaine quantité de charbon et notamment des charbons très réactifs comme les charbons « sub- bitumeux » ou flambants et même des lignites. b. Elle utilise une quantité importante d’énergie électrique, essentiellement au four à arcs. c. Elle a généralement recours à des hydrocarbures gazeux ou liquides pour assurer la production du gaz réduction nécessaire à la pré- réduction. Cette filière est utilisée dans des usines de faible capacité. 7 3° Filière fusion de ferrailles : Schéma de principe : - Fusion + affinage du métal. - Mise à nuance de l’acier. FOUR ELECTRIQUE A ARC ACIER LIQUIDE Figure 4 : Filière Fusion de Ferrailles - La filière fusion des ferrailles utilise des ferrailles (parfois des pré- réduits achetés) qui sont fondus au four électrique à arcs. - Cette filière est adaptée pour des « mini-usines » dont la capacité de production varie de 100 à 400.000 Tonnes / an. I.4.2 Facteurs de choix d’une filière : - Le choix d’une filière s’effectue à partir de considérations multiples notamment : a. La taille de l’usine et le coût d’investissements. b. La situation énergétique du pays concerné. En effet, chaque filière est tributaire d’une forme d’énergie dominante. c. La qualité et la nature de l’acier à fabriquer qui peuvent imposer certaines contraintes au niveau du choix du métal primaire utilisable. 8 FERRAILLES CHAPITRE II : MATIERES PREMIERES ET CONDITIONNEMENT II.1. Généralités sur le lit de fusion du Haut-Fourneau - Un meilleur choix des minerais de fer et une amélioration constante de la préparation des charges et de la qualité des matières enfournées au gueulard sont les facteurs qui conditionnent les performances remarquables des H-F modernes qui sont : - La mise au mille, la production unitaire, etc… - Pour accélérer les échanges de chaleur et de masse sans provoquer une augmentation exagérée des pertes de charges, il a fallu définir pour chaque constituant du lit de fusion et pour le coke une granulométrie optimale et mettre au point les moyens de l’assurer. Le lit de fusion du H-F doit être constitué exclusivement de matières soigneusement classées, à haute teneur en fer et possédant des caractéristiques physiques et physico-chimiques adaptées aux diverses sollicitations telles que : abrasion, dilatation provoquée par un changement de réseau cristallin, choc thermique, etc… Les seules matières qui répondent à ces conditions sont : a. Les minerais calibrés (8-40 m environ) obtenus par criblage et concassage de minerais rocheux ou pré-concassés. b. Les agglomérés sur grille (8-50 mm uploads/Industriel/ cours-de-siderurgie-1er-master-2016-2017.pdf