Ferromanganèse

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Le ferromanganèse est un ferroalliage à forte teneur de manganèse, avec une teneur en poids de 65 à 90 %.

Les fontes de manganèse (ou « fonte lamelleuse »[1]) d'une teneur entre 6 et 25 % sont appelées spiegeleisen (fer miroir). Elles sont généralement obtenues au haut fourneau.

Obtention[modifier | modifier le code]

graphe temporel des tonnes produites par type deferromanganèse
Évolution de la production de ferromanganèse, par procédé.

Deux méthodes de production coexistent : la production au haut fourneau, en voie de disparition, et celle au four électrique.

Production au haut fourneau[modifier | modifier le code]

Le procédé au haut fourneau, qui représentait 30 % de la production mondiale de manganèse en 1996[2], est en voie de disparition : en 2004, les hauts fourneaux produisaient un peu plus de 17% du ferromanganèse ; en 2008, 13 %[3]. La métallurgie du manganèse s'apparente à celle du fer, bien que la réduction de l’Oxyde de manganèse(II) MnO, stable au-dessus de 1 200 °C, par le monoxyde de carbone CO, est plus difficile que celle de l’oxyde de fer(II) FeO[4]. Contrairement le MnO est réduit par le carbone par une réaction de réduction directe au-delà de 1 310 °C. La présence de fer présent dans le minerai entraine la formation d'un carbure mixte fer - manganèse. De cette filière sont issus[2] :

  • le ferromanganèse carburé.
    Historiquement le premier à être produit, il est au manganèse ce que la fonte est au fer. Au XIXe siècle, la teneur en manganèse de cette fonte ne dépassait pas 8 %. Tous les ferromanganèses contenant moins de 25 % de manganèse sont ferromagnétiques et appelés « spiegeleisen » (fer miroir) car la fonte obtenue a une cassure brillante[note 1]. Les ferromanganèses carburés contenant plus de 25 % de manganèse sont très oxydables, paramagnétiques et ne sont pas des spiegeleisens[5]. Actuellement, on commercialise des ferromanganèses carburés dont la composition est Mn 76-80 %, Fe 12-15 %, C < 7,5 %, Si < 1,2 % ;
  • le ferromanganèse à moyen carbone.
    Produit le plus souvent par affinage au convertisseur à l'oxygène du ferromanganèse carburé. Il contient de 1 à 1,5 % de C.

Production au four électrique[modifier | modifier le code]

La production au four électrique représentait 70 % de la production de manganèse en 1996[2]). Le ferromanganèse y est obtenu en chauffant un mélange d'oxyde de manganèse MnO2 et d'oxyde de fer(III) Fe2O3, avec du carbone. Cette filière permet l'obtention :

  • du silicomanganèse, issu généralement fours électriques. Sa composition est Mn 65-68 %, Si 16-21 %, C 1,5-2 % ;
  • du ferromanganèse à bas carbone, essentiellement produit à partir de silicomanganèse. Sa composition moyenne est Mn 80-90 %, carbone 0,1-1,5 %.

Usages sidérurgiques[modifier | modifier le code]

Le manganèse n'est pas rare dans le substrat rocheux. Il est donc probable qu'il ait été accidentellement utilisé ou découvert par hasard assez tôt et à plusieurs reprises dans le monde et dans l'Histoire de la métallurgie. Par exemple, à Sainte-Bénigne, « dans une carrière d'argile, à Lavigne Benaud, M. Barthélémy a fouillé une fosse comblée de terre noire qui a révélé un foyer avec tessons. Il s'y trouvait des nodules de ferro-manganèse de 1 dm3 en moyenne »[6], mais on ignore le sens de la présence de ce ferro-manganèse.

Lors de la révolution industrielle le manganèse se fait indispensable dans la sidérurgie comme élément d'alliage de la fonte.

De nombreux documents anciens attestent de son utilisation ancienne sous forme de carbure de manganèse ou d'oxyde de manganèse utilisés pour produire un alliage fer-manganèse (car son minerai est très difficile à réduire[1]) comme améliorateur du fer et de l'acier et il est couramment utilisé comme tel depuis le dépôt d'un brevet pour son utilisation dans la fabrication d'acier fondu (brevet déposé par Josiah Marshall Heath en 1839 et il le sera dans le procédé Bessemer puis le procédé Siemen-Martin et les méthodes qui suivront.

Pourtant 30 ans plus tard (en 1870) selon Bruylant-Christophe, ingénieur civil à Londres si son utilité n'est pas discutée par aucun industriel, la nature des améliorations qu'il apporte est encore mal comprise[1] ; la plupart des métallurgistes de l'époque pensent qu'ajouté au fer malléable ou à l'acier fondu, il en améliore la ductilité et l'élasticité, alors que d'autres pensent au contraire qu'il le durcit en donnant « des fers durs et doués d'une grande force de cohérence » en éliminant du fer l'excès d'oxygène et de silicium pour le faire passer dans la scorie[1].
Bruylant notait qu'il est d'ailleurs parfois inutile de l'ajouter, car il peut être spontanément présent dans le minerai de fer[1] : à son époque « la fonte crue ordinaire produite dans les fourneaux à vent de Suède, d'Autriche et de maint autre pays,contient de 1 à 3 % de manganèse. La présence de celui-ci est due à une faible quantité de manganèse contenu dans les minerais de fer spathique de ces pays, et c'est simplement la quantité de silice qui se trouve dans la scorie qui détermine la proportion du manganèse réduit et entrainé dans le métal ». Ce taux atteint 7 à 11% de manganèse dans le spiegeleisen du district de Siegen (Prusse Rhénane) ajoute-t-il, grâce au minerai de fer de la « Montagne d'acier » de Müsen[1].

Parmi les nombreux brevets déposés pour la fabrication du ferromanganèse on peut citer

  • le brevet de Henry Bessemer, qui a inventé l'acier bessemer, à base d'un composé triple de fer-manganèse-silicium, permettant d'atteindre jusqu'à 60% de manganèse mais très couteux[1] ;
  • les brevets de MW Henderson de Glasgow déposés de 1860 à 1869, nécessitant un « four Siemen » et permettant d'atteindre un alliage à 20 à 30 % de manganèse, avec une production de 15 quintaux de ferro-manganèse par 24 h par un seul ouvrier[1].

On sait aujourd'hui qu'ajouté à la fonte brute en fusion, le manganèse élimine le soufre, qui est un élément fragilisant, en se combinant avec lui pour former du sulfure de manganèse (MnS). Cette désulfuration produit un précipité visible sous la forme d'inclusion dans la fonte. Sa réactivité avec l'oxygène étant plus importante que celle du fer, il a également un rôle désoxydant (en complément du ferrosilicium et de l'aluminium).

Actuellement, l'essentiel de son utilisation se fait cependant en tant qu'élément d'alliage des aciers (70 % en 1996[2]). Il est utilisé dans les aciéries, dans l'étape dite de la métallurgie en poche, qui vient après l'affinage au convertisseur. Plus l'ajout de manganèse se fait tard dans le processus d'affinage, plus la qualité du ferroalliage devrait être bonne.

Histoire de la ressource et commerce du ferromanganèse[modifier | modifier le code]

Après le milieu du XIXe siècle le ferromanganèse devient une ressource stratégique pour les producteurs d'acier qui l'achètent à bon prix[1] .

Les ressources en minerai de manganèse étant inégalement réparties, le ferromanganèse a fait et fait encore l'objet d'un marché international important, entre l'Afrique (Gabon principalement) et la Chine ; l'Afrique représentait en 2006 environ 85 % du total des importations chinoises[7]. Si les tensions sur le marché deviennent trop fortes ou que les ressources minières s'épuisent, les industriels se tourneront probablement vers l'exploitation des nodules polymétalliques marins (ressource qui est aussi inégalement partagée).

En France, pays dépourvu de ressources significatives en manganèse, il a fallu importer le minerai, qui a aussi été activement recherché en Afrique par le bureau industriel africain dans la grande région sahélienne et dans les colonies françaises durant la période coloniale[8]. Ce cernier a eu une grande importance économique pour le port de Boulogne-sur-Mer[9]où le minerai destiné à l'usine métallurgique de production de ferromanganèse installée dans le port même représentait les deux tiers des entrées du port en 1958 (440 000 t/an, puis 338 000 t en 1959 (dont 87 000 t importées du Maroc, 85 000 t des Indes, 65 000 du gisement de Poti en URSS, 43 000 t du Natal, et 9 000 du Mozambique[9]). À cette même époque le ferromanganèse boulonnais était réexporté raffiné à raison de 49 000 t en 1957, 26 000 t en 1959 notamment aux U.S.A., en Italie et en Argentine[9].

Intérêt archéologique[modifier | modifier le code]

Le ferromanganèse est présent dans les colorants utilisés par l'Homme préhistorique, dans l'art pariétal et sur ou dans les poteries (car contenu naturellement dans de nombreuses argiles). Depuis les Ages du Fer la sidérurgie transforme des minerais plus ou moins riches en oxydes de fer et manganèse en métal, laissant des scories et d'autres traces que les archéologues doivent interpréter au mieux sur les sites de production.

La bonne connaissance des processus d'oxydation, corrosion et autres altérations/transformation des métaux ferreux (notamment dans le sol, l'eau ou les sédiments) est nécessaire aux archéologues et à l'archéométrieparce que l'Homme a beaucoup utilisé les composés du fer et/ou du manganèse[10].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. À l'époque la fonte était généralement coulée en gueuse. La séparation d'une gueuse de la grappe coulée dans le sable se fait en cassant le chenal d'amenée de la fonte. La morphologie de la cassure renseigne alors le fondeur sur la qualité de la fonte coulée.
  1. a, b, c, d, e, f, g, h et i Bruylant Christophe (1870) « Le Ferro-manganèse. Alliage de fer et de manganèse, application à la fabrication de l'acier », in Bulletin du Musée de l'industrie, Vol.58 (en livre numérique avec Google) ; voir pp 313-319
  2. a, b, c et d « Description du manganèse sur SFC.fr - édition de 1996 », SfC (consulté le 1/11/09)
  3. [PDF](en) Lisa A. Corathers, Joseph Gambogi, Peter H. Kuck, John F. Papp, Désirée E. Polyak, Kim B. Shedd, « 2008 Minerals Yearbook - Ferroalloys », United States Geological Survey,‎ octobre 2010
  4. Edmond TRUFFAUT, « La fabrication du ferro-manganèse en France, 1875-2003 », Soleil d'acier,‎ 30 octobre 2004 (consulté le 5/9/10)
  5. Jacques Corbion (préf. Yvon Lamy), Le savoir… fer — Glossaire du haut-fourneau : Le langage… (savoureux, parfois) des hommes du fer et de la zone fonte, du mineur au… cokier d'hier et d'aujourd'hui,‎ 1989, F27
  6. Boucher JP (1977) Circonscription de Rhône-Alpes ; Gallia, Vol.35, n°35-2 pp. 473-494
  7. Chaponnière, J. R. (2006) Les échanges entre la Chine et l’Afrique. Revue Stateco, (100)
  8. Robert Capot-Rey (1955) Le bureau industriel africain et les recherches minières au Sahara Annales de Géographie vol64, n°344 pp. 296-297
  9. a, b et c Vasseur, L. V. (1960) Boulogne-Sur-Mer: aspects économiques. L'information géographique, 24(5), 192-201. (PDF, Avec Persée)
  10. Journées thématiques CAI-RN : Composés du fer et du manganèse ; 14 et 15 mai 2012 (archéométrie)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Lien externe[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Enokido, H., Moro-Oka, A., & Ichise, E. (1995) Thermo-chemical activities of liquid Fe-Mn-C alloy. Tetsu-to-Hagane(Journal of the Iron and Steel Institute of Japan)(Japan), 81(6), 619-624 (Fiche Inist-CNRS)
  • Bruylant-Christophe, ingénieur civil à Londres (1870) « Le Ferro-manganèse. Alliage de fer et de manganèse, application à la fabrication de l'acier », in Bulletin du Musée de l'industrie, Vol.58 (en livre numérique avec Google)
  • Liu, X., Wijk, O., Selin, R., & Edström, J. O. (1996). Oxidizing dephosphorization of ferro-manganese. Scandinavian journal of metallurgy, 25(5), 204-215 (résumé).
  • Liu, X., Wijk, O., Selin, R., & Edstroem, J. O. (1995). Phosphorus equilibrium between BaO-BaF2-MnO fluxes and ferro-manganese melts. Steel research, 66(3), 96-102 (Fiche Inist-CNRS).
  • Séa, F., Trudel, P., & Tanguay, M. G. (1994). Géochimie des horizons d'oxydes ferro-manganésifères noirs enrichis en or dans la latérite de Misséni, au Mali. Canadian Journal of Earth Sciences, 31(12), 1791-1805 (résumé).
  • Truffaut E (2004) La fabrication du ferro-manganèse au haut-fourneau en France, 1875–2003. Naissance, vie et mort d’un procédé industriel.
  • Zhang, L., & Oeters, F. (1999) Mathematical modelling of alloy melting in steel melts. Steel research, 70(4-5), 128-134 (Notice Inist-CNRS).
  • Jean, M. (1950). Sur le dosage du manganèse dans les ferromanganèses et les minerais. Analytica Chimica Acta, 4, 360-365 (résumé).
  • Bebgiiezax MA (1969). Métaux, 167 journées sur le manganèse (París, 5-6 juin 1969). Métaux: corrosion-industries, 44, 167.