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Elaboration et recyclage de l'acier

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Objectif

L'acier est l'alliage dont l'usage est le plus courant.
Quelles sont les techniques qui permettent d'obtenir cet alliage, et quel est l'intérêt de son recyclage ? Pourquoi son utilisation est-elle plus courante que celle du fer pur ?

1. Composition de l'acier

L'acier est un alliage dont les constituants de base sont le fer et le carbone. Il contient également d''autres métaux qui modifient ses propriétés.

Un coffre en acier

2. Les matières premières

a. Le fer

Le fer n'existe pas à l'état natif (à l'exception du fer d'origine météoritique). Il faut donc l'extraire des minerais où il est présent sous forme d'oxyde de fer. La formule de l'oxyde majoritaire est Fe₂O₃.

Des clefs en fer

b. Le charbon

Le charbon doit, avant d'être utilisé, être débarrassé de ses impuretés. Le charbon presque pur est alors appelé coke.

Le charbon

3. Fabrication de la fonte

Le minerai de fer et le coke sont placés en couches alternées dans un haut fourneau à la base duquel est insufflé de l'air chaud (>1000°C). Le dioxygène contenu dans cet air réagit avec le carbone pour former du monoxyde de carbone (CO):

2C + O₂ -> 2 CO

Le monoxyde de carbone ainsi formé réagit avec l'oxyde de fer présent dans le minerai:

Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂

Le fer qui se forme est à l'état liquide et s'écoule en entraînant une partie du carbone restant. Le mélange obtenu à la sortie du haut fourneau contient plus de 2% de carbone et ne correspond pas encore à de l'acier mais à de la fonte.

La fonte est un alliage plus cassant et plus fragile que l'acier dont l'utilisation est beaucoup moins fréquente. L'obtention d'acier nécessite des transformations supplémentaires.

4. Fabrication et affinage de l'acier sauvage

• Fabrication de l'acier sauvage:

La fonte liquide est transportée jusqu'à un convertisseur dans lequel elle est portée à 1600°C et où du dioxygène permet de la débarrasser d'une partie du carbone qu'elle contient en provoquant sa combustion.

A la sortie du convertisseur, on obtient de l'acier sauvage qui contient moins de 2 % de carbone mais qui doit encore subir un affinage au cours duquel divers substances (chrome, nickel etc...) sont ajoutées en fonction des propriétés qui doivent lui être données.

• Affinage de l'acier sauvage et mise en forme

L'acier liquide ainsi obtenu est ensuite moulé pour obtenir la forme de plaques rectangulaires.

Ces plaques sont affinées par laminage et leur épaisseur est réduite à quelques millimètres.
Ces plaques sont ensuite recouvertes d'une très fine couche d'étain qui les protège de l'oxydation.

5. Recyclage de l'acier

a. Récupération des matériaux ferreux

L'acier, comme tous les composés métalliques, peut être recyclé.

Le fer étant l'un des rares métaux à être attiré par un aimant. La récupération des matériaux ferreux (« ferrailles ») est réalisée par tri magnétique.

Les ferrailles recyclées proviennent des appareils électroménagers, des voitures, des bâtiments démolis...

b. Production d'acier à partir de l'acier de récupération

Les ferrailles peuvent soit être ajoutées à la fonte dans le convertisseur, soit être placées dans un four électrique où la production d'arcs électriques les porte à haute température et provoque leur fusion.
Par ce processus, on obtient également de l'acier sauvage qui doit être affiné, moulé et laminé.

c. Avantages du recyclage de l'acier

Les avantages du recyclage sont multiples :

- Il permet des économies d'énergies car l'extraction et le transport des minerais n'est pas nécessaire, tout comme l'étape de production de la fonte dans les hauts fourneaux.

- Il permet de préserver les ressources en minerais.

- Il permet de limiter les émissions de polluants et de gaz à effet de serre qui ont lieu notamment dans les hauts fourneaux.

L'essentiel

L'acier est un alliage dont les deux composants principaux sont le fer et le carbone.
Le carbone provient du coke qui est un charbon quasiment pur.
Le fer provient de minerai où il est sous forme d'oxydes de fer.

Fabrication :
Le minerai de fer et le coke sont placés dans un haut fourneau à la sortie duquel est récupérée de la fonte. Il s'agit d'un alliage contenant du fer et plus de 2% de carbone.
Un convertisseur permet d'élimer une partie du carbone contenu dans cette fonte et d'obtenir de l'acier sauvage qui contient moins de 2% de carbone.
Afin de modifier les propriétés de l'acier sauvage différentes substances lui sont ajoutées au cours d'une phase d'affinage.
L'acier liquide est ensuite moulé puis subit un laminage.

Recyclage :
L'acier peut aussi être recyclé en récupérant par tri magnétique des matériaux ferreux (ferraille).
Ces ferrailles peuvent être ajoutées à la fonte dans le convertisseur ou peuvent être fondues dans un four électrique afin d'obtenir à nouveau de l'acier sauvage.
Le recyclage de l'acier permet des économies d'énergie, de préserver les ressources en charbon et en minerai de fer et permet de limiter la production de polluants.

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