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Chapitre 1 1-1 1. L’ACIER, MATERIAU DE CONSTRUCTION, ET LES PRODUITS DERIVES PO

Chapitre 1 1-1 1. L’ACIER, MATERIAU DE CONSTRUCTION, ET LES PRODUITS DERIVES POUR LA CONSTRUCTION 1.1 Du minerai de fer à l’acier liquide 1.1.1 Fer-fonte et acier au carbone Le fer est un constituant important de l’écorce terrestre. Dans le langage courant, on confond facilement, mais erronément, les notions de fer et d’acier. Le fer s’emploie rarement à l’état pur mais très souvent sous forme d’alliage avec le carbone et d’éventuels additifs. On parle ainsi de fonte lorsque la teneur en carbone est au moins égale à 2 % et d’acier, et plus précisément, d’acier au carbone, lorsque cette teneur reste inférieure à 2 %. Les propriétés d’un acier dépendent fortement de la teneur en carbone - généralement entre 0,2 à 0,5 % pour un acier de construction - mais également de la présence éventuelle d’additifs (silice, cuivre, manganèse, nickel, vanadium,...). Lorsque ces additifs existent en proportions significatives, les aciers sont dits alliés. Tous les aciers, alliés ou non alliés, contiennent en outre de petites quantités d’impuretés, notamment du phosphore et du soufre, qu’il est impératif de maintenir dans les limites strictes pour éviter divers désagréments (mauvaise soudabilité, sensibilité excessive à la rupture fragile, ...). Les aciers alliés présentent généralement de meilleures propriétés de résistance que les aciers au carbone. Ils permettent notamment d’atteindre de hautes limites d’élasticité, qu’ils aient ou non subi un traitement thermique. Les principaux métaux mis en œuvre dans les structures de constructions civiles sont l’acier et les alliages d’aluminium. L’acier est le plus utilisé : il requiert beaucoup moins d’énergie pour son élaboration - la réduction du minerai de fer consomme seulement 1/10 de l’énergie nécessaire à la réduction de la bauxite - et combine des qualités de bonne résistance (en compression et traction), une grande raideur (module d’élasticité élevé) et une bonne ductilité (mise à forme par forgeage, laminage,...). Les alliages d’aluminium ne sont normalement utilisés que lorsque la résistance à la corrosion et/ou la légèreté sont des conditions déterminantes. L’élaboration de l’acier requiert un processus assez complexe qui ne fait pas l’objet de ce cours. On n’en rappellera très sommairement ci-après que les principales étapes. Deux procédés de fabrication sont possibles : la filière « fonte » et aciérie à l’oxygène et la filière « ferraille » et four électrique. 1.1.2 Filière fonte et aciérie à l’oxygène Les opérations sont les suivantes :  transformation du minerai pour le rendre assimilable par le haut fourneau : broyage et criblage du minerai brut, homogénéisation et chargement avec de la Chapitre 1 1-2 chaux et du coke sur la chaîne d’agglomération où il est partiellement fondu avec, pour résultat, du minerai aggloméré;  réduction des oxydes de fer par le coke dans le haut fourneau : le coke combustible (distillat de la houille dans le four de cokerie) est du carbone presque pur dont la combustion apporte, d’une part, la chaleur nécessaire à la fusion du minerai et, d’autre part, l’oxyde de carbone qui, en réduisant les oxydes de fer, permet au fer pur ainsi libéré de se combiner aux atomes de carbone pour former la fonte (94 à 96 % de Fe, 3 à 4 % de C et 1 à 2 % de non ferreux, Si, S, P,...) et à la guangue liquide, plus légère, de se séparer de la fonte en un sous-produit exploitable : le laitier de haut fourneau;  récupération de la fonte liquide en bas du haut fourneau et acheminement, en wagon-poches, vers l’aciérie;  le carbone présentant une grande affinité pour le fer liquide, la fonte produite dans le haut-fourneau a une teneur en carbone assez élevée, ce qui la rend fragile. L’affinage de la fonte, opération destinée à abaisser la teneur en carbone en dessous de 2% et à éliminer les éléments indésirables se fait à l’aciérie. La fonte liquide est versée dans le convertisseur (sur une charge de chaux et de ferraille) dans lequel on insuffle de l’oxygène qui brûle presque complètement les éléments indésirables (les oxydes formés sont fixés par la chaux et produisent un laitier qui est évacué). La température passe de 1250° (fonte liquide) à 1600°C (acier liquide);  ajustement de la composition chimique de l’acier, visant à améliorer la pureté et la qualité du métal, par addition strictement contrôlée des éléments d’alliage. 1.1.3 Filière « ferraille » et four électrique Cette filière consiste à recycler indéfiniment l’acier puisque le produit fini est obtenu à partir d’une matière première qui est elle-même de l’acier. Elle participe donc à la protection des ressources naturelles. Les opérations sont les suivantes:  préparation de la ferraille provenant de démontages ou de démolitions, de chutes d’acier ou de fontes : tri, calibrage, broyage;  stockage, dans un four électrique (vaste cuve comportant des électrodes), de ferrailles de choix et des additions éventuelles de métaux divers;  production d’arcs électriques puissants entre les électrodes et la charge à fondre;  ajustement de la composition chimique de l’acier comme pour les aciers élaborés à l’oxygène. La filière « ferraille » contribue pour une part sans cesse croissante à l’élaboration de l’acier ; elle fait en effet l’économie d’équipements lourds et est plus économique en énergie. Chapitre 1 1-3 1.2 De l’acier liquide aux demi-produits A la sortie d’une quelconque des filières ci-dessus, l’acier liquide est recueilli et transporté au lieu de coulée, où se réalisent la solidification de l’acier et l’ébauche des formes. Deux procédés de coulée coexistent : la coulée en lingots et la coulée continue. En raison des gains de matière et de productivité permis par la coulée continue, celle-ci devient le mode de coulée prédominant. La coulée en lingots consiste à couler l’acier dans des moules en fonte (lingotières) où il se solidifie. Après démoulage, les lingots sont rechauffés à 1200°C (homogénéisation en fours Pitts) puis traités dans un gros laminoir dégrossisseur pour être transformés en demi-produits grossiers. Ceux-ci sont des ébauches de produits plats (brames, slabs) ou de produits longs (blooms). La coulée continue permet l’obtention directe des demi-produits sans l’étape blooming-slabbing de la coulée en lingots. L’acier liquide est coulé dans une lingotière en cuivre (de section adaptée au demi-produit à fabriquer) qui est refroidie violemment à l’eau de manière que le métal forme, en se refroidissant, une sorte de peau solide qui est tirée vers le bas par un jeu de rouleaux. Le métal achève de se solidifier et on recueille, à la base de l’installation, une ébauche solide préformée qui est coupée aux longueurs désirées. 1.3 Des demi-produits aux produits finis La transformation en produits finis consiste principalement à réchauffer les demi- produits dans des fours puis à les étirer et écraser le métal (laminage) pour lui donner les formes et dimensions désirées. Parmi les produits finis, on distingue :  les produits plats : tôles fortes (t > 10 mm), tôles moyennes (2 < t < 10 mm) en feuilles ou bobines, produits plats laminés à froid (t < 3 mm);  les produits longs : rails, poutrelles, palplanches, fils, barres, ronds à béton. Le laminage s’effectue normalement à chaud (de 800 à 1200°C) dans des installations désormais pilotées par ordinateur avec des vitesses de sortie allant de 100 km/h pour les tôles à 350 km/h pour les fils. Il consiste à faire passer le métal réchauffé un certain nombre de fois (passes de laminage) entre deux cylindres tournant en sens inverse. Ces cylindres sont soit lisses, soit ils portent des cannelures selon le type de produit fini souhaité et leur entredistance est adaptée à chaque passe de laminage. On obtient ainsi progressivement un produit de section de plus en plus faible mais de plus en plus long. Pour certains produits plats de faible épaisseur, on effectue d’abord un laminage à chaud puis on procède à un amincissement complémentaire des sous-produits intermédiaires obtenus, à l’aide d’un laminage à froid. Un certain nombre de produits sidérurgiques peuvent aussi subir des transformations en aval de l’industrie sidérurgique proprement dite. Ces transformations peuvent Chapitre 1 1-4 consister en opérations de mise à forme (profilés minces formés à froid, tôles nervurées, profils creux) et, en opérations de revêtement (galvanisation, étamage, pré-peinture, laquage, galvaniplastie) et en éventuelles opérations de parachèvement. Toute la gamme des profils à froid et des tôles nervurées sont obtenues à partir de tôles minces, fournies très généralement sous la forme de bobines, au terme d’un processus de formage à froid en continu au travers d’une série de cages à galets calibrés de telle manière que la tôle soit amenée progressivement, mais sans dommage, à la forme désirée. Ce formage à froid est éventuellement terminé par une opération de soudage automatique pour la fabrication de profils creux. A cet égard, on notera qu’un profil creux à section carrée ou rectangulaire est généralement obtenu à partir d’une ébauche à section circulaire mise à forme par profilage à froid, voire à chaud. Les profils creux de grand diamètre peuvent être obtenus par cintrage oblique de la bande mère et soudure hélicoïdale. On peut aussi les réaliser par assemblages de tôles ou de viroles cintrées. 1.4 uploads/Industriel/ cours-prof-jaspart-ulg.pdf