Fonte brute

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De la fonte brute en fusion, contenue dans une poche.
De la fonte brute en gueuses.

La fonte brute est le métal obtenu en sortie de haut fourneau. Cette appellation prend en compte le fait que la qualité de cette fonte n'est pas caractérisée par des considérations métallurgiques ou mécaniques, mais uniquement par sa composition chimique[note 1].

La fonte brute s'apparente à une matière première plus qu'à un produit fini ou semi-fini ; ce n'est qu'un état intermédiaire de la fabrication de l'acier ou de fonte de moulage.

Composition[modifier | modifier le code]

La fonte brute étant destinée au mazéage ou à l'affinage, sa composition est optimisée pour assurer une meilleure efficacité aux procédés situés en aval du haut fourneau.

Fonte hématite pour affinage au convertisseur Bessemer[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Procédé Bessemer.

Pendant le soufflage réalisé par le convertisseur Bessemer, le caractère exothermique des oxydations du silicium, manganèse, du carbone et du fer sont utiles à la conversion en fer, dont le point de fusion est plus élevé que celui de la fonte[note 2]. L'obtention d'un fer complètement affiné nécessite donc une fonte d'une composition bien précise. Or, pour le procédé Bessemer, le silicium est le principal contributeur thermique : la combustion de 1 % de silicium élève la température du bain de 300 °C[1]. C'est la teneur visée par les sidérurgistes américains du XIXe siècle, alors que les Anglais utilisent généralement, à la même époque, des fontes à 2 % de silicium[2].

Une teneur minimum en silicium est donc nécessaire pour que le soufflage puisse s'achever : cette nécessité a précipité la disparition des hauts fourneaux à vent froid. Mais produire des fontes très riches en silicium n'a pas d’intérêt économique car cela entraîne une forte consommation de combustible au haut fourneau[1]. De plus, trop de silicium prolonge le soufflage et entraîne une forte consommation de fer par le laitier[2].

Fonte destinée à la déphosphoration[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Procédé Thomas.

Le convertisseur Thomas est très semblable à celui de Bessemer. Il s'en distingue par son fonctionnement en milieu basique, alors que le procédé Bessemer est acide, ce qui le rend apte à retirer le phosphore de la fonte.

Pendant la déphosphoration, le phosphore s'oxyde par une réaction très exothermique et migre dans le laitier. En effet, alors que la contribution thermique de la combustion du carbone, du fer et du manganèse n'est que de quelques degrés, la combustion de 1 % de silicium élève la température du bain de 300 °C et celle de 1 % de phosphore l'augmente de 183 °C[1].

Or, pour rester basique, le laitier doit contenir un minimum de silice, qui est un oxyde très acide[note 3]. Pour les sidérurgistes, il est donc essentiel de produire une fonte qui contienne un minimum de silicium, pour ne pas acidifier le laitier par sa transformation en silice, et un maximum de phosphore, dont la combustion va garantir la réussite thermique de l'opération et la qualité du laitier Thomas. Les « fontes Thomas » contiennent donc idéalement moins de 1 % de silicium, alors que celles destinées au procédé Bessemer ont une teneur supérieure[1]. La teneur en phosphore doit être supérieure à 2 %, ce qui exclut les fontes issues de minerais insuffisamment phosphoreux : les minerais américains, trop phosphoreux pour le procédé Bessemer acide et pas assez pour le procédé Thomas basique, entrent dans cette catégorie[note 4] et, jusqu'au milieu du XXe siècle, ne peuvent être affinés qu'au four Martin-Siemens basique[5],[6].

Fonte brute moderne[modifier | modifier le code]

Avec la disparition des procédés Bessemer, Thomas et, plus récemment, Martin, les contraintes sur la fonte brute ont changé.

La généralisation des convertisseurs à l'oxygène, qui ont un excellent rendement thermique, amènent la disparition des contraintes des contraintes sur la teneur en silicium ou en phosphore.

Par contre, les exigences croissantes sur la qualité des aciers font que même les « fontes non phosphoreuses » doivent être déphosphorées car peu d'aciers modernes acceptent une teneur en phosphore supérieure à 0,02 %. La métallurgie au convertisseur se déroule donc en milieu basique. Par conséquent, la teneur en silicium doit être limitée au maximum. Quant au laitier, sa valorisation en tant qu'engrais disparait à cause de sa faible rentabilité et les trop faibles teneurs en phosphore désormais atteintes : la fonte brute doit donc aussi en contenir le moins possible.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. La fonte brute est donc proche, dans utilisation finale, aux ferroalliages, où seule la teneur en éléments non ferreux importe.
  2. Le liquidus d'une fonte à 6 % C est de l'ordre de 1 150 °C, et passe à 1 500 °C lorsqu'on approche la composition du fer pur.
  3. Les oxydes acides dans le laitier de convertisseur sont, par ordre d'influence, la silice (SiO2) et le pentoxyde de phosphore (P2O5). Les bases sont la chaux (CaO), la magnésie (MgO) et l'oxyde de fer (FeO)[3]. Mais le caractère basique de ce dernier est faible, et il est courant de le considérer plutôt comme un réfractaire/fondant, tout comme les bases que sont l'alumine (Al2O3), l'oxyde de manganèse(II) (MnO), l'oxyde de chrome(III) (Cr2O3) ou la fluorine (CaF2).
  4. L’intérêt des sidérurgistes américains pour le procédé Thomas reste mesuré : en 1880, Thomas refuse de vendre ses droits pour 150 000 £ aux maîtres de forges wesphaliens, mais les cède 55 000 £ aux Américains en 1881[4].

Références[modifier | modifier le code]

  1. a, b, c et d Adolf Ledebur (trad. Barbary de Langlade revu et annoté par F. Valton), Manuel théorique et pratique de la métallurgie du fer, Tome I et Tome II, Librairie polytechnique Baudry et Cie éditeur,‎ 1895 [détail des éditions], p. 472-473
  2. a et b (en) Bradley Stoughton, Ph.B., B.S., The metallurgy of iron and steel, New York, McGraw-Hill Book Company,‎ 1908, 509 p. (lire en ligne), p. 95, 101, 112
  3. (en) Walter MacFarlane, The principles and practice of iron and steel manufacture, Longmans, Green, and Co,‎ 1917, 5e éd. (lire en ligne), p. 93
  4. (en) William Tulloch Jeans, The Creators of the Age of Steel,‎ 1884, 356 p. (ISBN 1417953810 et 978-1417953813, lire en ligne), p. 316
  5. (en) Harry Huse Campbell, The manufacture and properties of iron and steel, New York, McGraw-Hill Book Company,‎ 1906, 657 p. (lire en ligne), p. 16-17, 117-119
  6. (en) Hermann Wedding (trad. from the german by: William B. Phillips, PH. D. & Ernst Prochaska), Wedding's basic Bessemer process [« Basische Bessemer - oder Thomas-Process »], New York Scientific Publishing Company,‎ 1891, 224 p. (lire en ligne), p. 90-91

Voir aussi[modifier | modifier le code]