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Thème : Matériaux Documents
Chimie Cycle de vie des matériaux : la vie des aciers Chap.7
Etant donné ses propriétés mécaniques très intéressantes, le fer, pur ou sous forme d'alliages, est le métal le plus utilisé dans l'industrie et le bâtiment. Elaboré à partir de minerai principalement constitués d'oxydes, il s'oxyde naturellement à l'air s'il n'est pas protégé.
De minerai à la rouille, quelles sont les principales étapes de la vie du fer ? L'homme peut-il les modifier ? Si oui dans quel but ?
I. Production du fer
Doc 1 : Evolution de la production de fer
Les premières productions de fer par pyrométallurgie (dès 1700 avant J.-C.) utilisant la technologie des bas fourneaux.
« Le minerai enfourné avec du charbon de bois contenait de l'hématite Fe2O3.
Le four était alors un bas foyer creusé dans le sol et placé sur un point haut pour obtenir un bon tirage naturel.
Du point de vue chimique, ce qui s'y passait peut être résumé par la réaction 2 Fe2O3 + 3 C → 4 Fe + 3 CO2. Cette réaction consiste en une réduction de
l'oxyde de fer et une oxydation du carbone, laquelle dégage de la chaleur. La réduction n'a lieu que vers 1200°C, température qui, dans les bas foyers, n'était atteinte que localement.
Là où elle l'était, le fer s'individualisait en petits cristaux qui ne fondaient pas puisque sa température de fusion est 1536°C. Peu à peu, ces cristaux se groupaient en petits amas poreux et pâteux qui descendaient lentement et se réunissaient en une masse inhomogène, le loupe. Celle-ci, qui épousait grossièrement la forme hémisphérique du fond du four, ne pesait que quelques kilogrammes.
Une part importante de l'oxyde n'était pas réduite et se combinait au silicium (de la silice SiO2) et au calcium (du calcaire CaCO3) pour former un silicate riche en fer. Comme la cendre du charbon de bois renferme des éléments alcalins qui en abaissent le point de fusion (ce sont des « fondants »), ce silicate fondait en un laitier moins dense que le fer et flottant sur lui. Il se refroidissait en une scorie
vitreuse ».
Dès le XIVème siècle est mis au point le haut fourneau. Les charges (minerai et coke) versées en continu dans le gueulard descendent sous l'effet de leur poids et rencontrent un courant gazeux ascendant de diazote et de monoxyde de carbone provenant de la combustion du coke par l'air introduit au niveau des tuyères.
Il en résulte, du sommet de la cuve aux étalages, un ensemble complexe de réactions conduisant à la réduction des oxydes de fer par le monoxyde de fer.
Du creuset s'écoule la fonte et le laitier, moins dense que la fonte. La fonte est ensuite débarrassée de ses impuretés et d'une partie du carbone pour donner l'acier ; les laitiers sont exploités par d'autres
industries : construction de route, cimenterie,...
Actuellement deux filières d'élaboration de l'acier coexistent : la filière fonte et la filière ferraille.
Dans la filière fonte, après broyage, le minerai est introduit avec du coke dans le haut fourneau. On obtient la fonte, qui est acheminée vers un convertisseur où elle réagit avec du dioxygène (combustion d'une partie du carbone et des résidus) pour donner l'acier.
Dans la filière ferraille, la ferraille, triée et broyée est introduite dans un four électrique : de l'acier en fusion est obtenu. On introduit éventuellement du dioxygène.
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Doc 2 : Fer, fonte et acier
Ces trois produits diffèrent par leur teneur en carbone.
Le fer est un matériau mou et malléable, dont la teneur en carbone est infime
L’acier a une teneur en carbone pouvant varier de 0,003% à 2% maximum ; il est à la fois malléable et résistant.
L’inox est un acier composé de 75% de fer, 8% de nickel, de 17% de chrome et d’un peu de carbone.
La fonte, avec une teneur élevée en carbone (de 2% à 6%), existe en plusieurs qualités : de malléable et ductile à très dure et résistante.
Doc 3 : Les oxydes de fer
Le principal oxyde de fer dans un minerai de fer est l’hématite ou oxyde de fer (III) Fe2O3(s). Sa réduction par le monoxyde de carbone CO (g), permet d’obtenir, en cinq étapes, le fer ou ses alliages, l’acier et la fonte.
Dans une 1ère étape, le carbone C (s) du charbon de coke réagit avec le dioxygène O2(g) pour donner du dioxyde de carbone CO2(g), qui dans une 2nde réaction, donne du monoxyde de carbone CO (g), en réagissant avec le carbone solide C (s). A la température du haut-fourneau, l’excès de carbone permet la conversion de la totalité du CO2(g) en CO (g). Le CO (g).produit réduit les oxydes de fer en trois étapes :
Pour 320°C < < 620°C, Fe2O3(s) est réduit en Fe3O4(s) ;
Pour 620°C < < 950°C, Fe3O4(s) est réduit en FeO (s) ;
Pour > 950°C, FeO (s) est réduit en Fe (s).
Au cours de ces réactions, CO (g), est oxydé en CO2(g). Questions
1) Quels sont les différents rôles du charbon dans la production de fer par un bas fourneau ?
2) Pourquoi est-il nécessaire que la température soit suffisamment élevée au sein d'un haut ou d'un bas fourneau ? Justifier le terme « pyrométallurgie ».
3) Pour récupérer la loupe, il était nécessaire de briser le bas fourneau. Expliquer.
4) En quoi la technique du haut fourneau s'avère-t-elle plus intéressante que celle du bas fourneau ? 5) Comment obtient-on de la fonte ? Comment est-elle transformée en acier ?
6) Qu'est ce qui différencie la fonte de l'acier ?
7) Les équations des réactions : En pratique, le réducteur qui réduit les oxydes de fer est le monoxyde de carbone CO (g), qui résulte de la réaction du dioxyde de carbone CO2(g) sur le carbone lui-même. Le dioxyde de carbone provient lui même de la combustion du charbon.
a) Ecrire et ajuster les 5 équations mises en jeu dans le doc 3.
b) Globalement les deux réactifs de l'ensemble des réactions mises en jeu dans le haut fourneau sont C (s) et Fe2O3(s) et les deux produits sont Fe (s) et CO2(g). Etablir l'équation globale.
8) Quelques calculs :
Un haut-fourneau reçoit une masse de 1,00 103 kg d'un minerai qui contient en masse 64 % d'oxyde de fer (III). Ce minerai est réduit pour produire du fer supposé pur.
Données : M(Fe) = 55,8 g.mol-1 ; M(C) = 12,0 g.mol-1 ; M(O) = 16,0 g.mol-1 a) Quelle masse d'oxyde de fer (III) contient 1,00 103 kg de minerai ?
b) En déduire la quantité de matière d'oxyde de fer (III) correspondante.
c) Calculer alors la quantité minimale de carbone nécessaire à l'extraction du fer présent dans le minerai.
d) Quelle masse minimale de carbone faut-il utiliser ?
9) L'industrie du fer est une des plus gourmandes en énergie. Malgré de nombreux progrès, son empreinte carbone reste élevée. Expliquer.
10) Quels sont les intérêts de la filière ferraille ?
11) Quelle propriété du fer peut-on utiliser pour trier les ferrailles parmi les autres déchets ?
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II. Disparition du ferrailles Doc 4 ; La corrosion de l'acier
Doc 5 : La corrosion galvanique
Doc 6: La protection de l'acier contre la corrosion
Doc 7 : Recyclage des aciers
Questions :
1) Qu'est ce que la rouille ?
2) Quel environnement favorise la corrosion de l'acier ?
3) Montrer que le dioxygène est responsable de la corrosion en écrivant l'équation chimique de la formation d'oxyde de fer FeO à partir du fer et du dioxygène.
4) Pourquoi la couche d'oxydes de fer ne protège-elle pas le fer de la corrosion ? En quoi est-ce différent dans le cas du zinc ?
5) Expliquer pourquoi un revêtement étanche protège de la corrosion.
6) Justifier la dernière phrase du doc 7.
