Minerai de fer

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Le minerai de fer est une roche contenant du fer, généralement sous la forme d'oxydes, comme l'hématite.

Les minerais de fer ont une teneur en fer variable selon le minéral ferrifère ; sachant également que l’isomorphisme, presque toujours présent dans les minéraux naturels, réduit la teneur théorique.

Minéral Formule chimique Contenu théorique en fer dans le minéral (en %) Contenu théorique en fer après calcination (en %)
Hématite Fe2O3 69,96 69,96
Magnétite Fe3O4 72,4 72,4
Magnésioferrite MgO·Fe2O3 56-65 56-65
Goethite Fe2O3·H2O 62,9 70
Hydrogœthite 3Fe2O3·4H2O 60,9 70
Limonite 2Fe2O3·3H2O 60 70
Sidérite FeCO3 48,3 70
Pyrite FeS2 46,6 70
Pyrrhotite Fe1-xS 61,5 70
Ilménite FeTiO3 36,8 36,8

Les oxydes qui forment la gangue vont évidemment diminuer la teneur en fer des minerais employés.

Par rapport à leur teneur en fer, les minerais sont classés en :

  • minerais pauvres : Fe <= 30 %
  • minerais moyens : Fe = 30 % ÷ 50 %
  • minerais riches : Fe > 50 %

La teneur en fer des minéraux natifs est comprise entre des limites approximatives :

  • minéraux magnétiques : Fe = 50 % ÷ 67 %
  • minéraux d’hématite : Fe = 30 % ÷ 65 %
  • minéraux de limonite : Fe = 25 % ÷ 45 %
  • minéraux carbonates : Fe = 30 % ÷ 40 %

Les principaux minerais de fer sont des sulfures, des carbonates et des oxydes.

  • Les sulfures, dont les représentants principaux sont la pyrite et la pyrrhotite, ne sont jamais utilisés directement pour la production du fer à cause de l'effet fragilisant du soufre sur les alliages ferreux. Ils constituent en revanche une matière primaire importante pour la production d'anhydride sulfureux, obtenu grâce au grillage. Il reste un résidu d'oxyde de fer (« cendres de pyrite ») qui est pulvérulent et peut contenir encore des quantités gênantes de soufre : son utilisation comme minerai de fer peut donc se révéler problématique.
  • Comme carbonate, on trouve la sidérite ou sidérose, FeCO3, qui donne l'oxyde par calcination. À l'air humide, la sidérite se transforme en lépidocrocite ou, plus rarement, en goethite. La sidérite est fréquemment associée à la pyrite, la magnésie, la chaux, le manganèse. On distingue le fer carbonaté spathique, minerai cristallin blanc, légèrement jaunâtre, très répandu, et la sphérosidérite, en masses sphéroïdales, mélangé à des matières terreuses, rare en France. Le minerai des gisements de houille renferme du charbon : il est de couleur noire et de grillage facile. En Angleterre il est connu comme blackband.

La magnétite, spinelle ferrimagnétique Fe3O4, est le minéral de fer le plus riche en métal. Elle est souvent associée à l'hématite dans le même gîte, mais gîtes de magnétite pure sont aussi connus. Densité 5,15, couleur noire, éclat métallique, souvent accompagnée d'impuretés comme la silice, la chaux, l'alumine et le phosphore.

L'hématite α-Fe2O3, est le composant le plus important des minéraux de fer traités dans l'industrie sidérurgique. Elle est comporte plusieurs types :

  • l'oligiste cristallise en rhomboèdres
  • la spécularite consiste en agrégats de cristaux d'hématite à face lisse comme un miroir
  • l'hématite rouge ordinaire se présente en masses fibreuses, terreuses ou compactes
  • l'hématite rouge oolitique est formée de petites sphères agglomérées
  • la martite est une hématite en pseudomorphose de la magnétite

La maghémite, γ-Fe2O3, est une forme métastable de l'hématite, α-Fe2O3, qui se forme à partir de la magnétite par oxydation progressive. Elle a les mêmes caractéristiques magnétiques de la magnétite, alors que l'hématite est faiblement magnétique. La structure est spinelle, mais avec des lacunes d'atomes de fer.

Les hydroxydes de fer se retrouvent mélangés, à l’état microcristallin, dans la limonite ou hématite brune et constituent le « chapeau de fer ». Il s’agit d’un minerai d’origine sédimentaire qui contient de la goethite, de la lépidocrocite et en faibles quantités de l'hématite, des hydroxydes d'aluminium, de la silice colloïdale, des minéraux argileux, des phosphates, des arséniates, ainsi que des composés organiques. En masses fibreuses, la limonite est assez pure, mais lors qu’elle se présente en masses compactes ou terreuses, elle perd sa valeur sidérurgique, car elle contient des sulfures (de fer, mais aussi du plomb), des phosphates et arséniates. En France, il existe peu de limonite, mais on en trouve aux États-Unis, en Russie et en Scandinavie.

L'ilménite, minéral à structure d'hématite, est utilisée plutôt pour l'extraction du titane, le fer ayant un intérêt accessoire.

Les silicates ne sont pas utilisés pour l'extraction du fer, car le procédé d'enrichissement est complexe. De plus, ils sont incompatibles avec une utilisation dans un haut fourneau lorsqu'ils se présentent sous forme de sable car ils n'ont pas la perméabilité nécessaire pour laisser circuler les gaz réducteurs.

L'utilisation des minerais dans un haut fourneau impose leur conditionnement préalable : ce sont les étapes d'agglomération ou de pelletisation, qui apportent au minerai la résistance mécanique, la perméabilité et la composition chimique à la gangue compatible avec leur utilisation. Un enrichissement est parfois réalisé à cette occasion.

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