Fonte

La fusion est un processus d’application de chaleur au minerai afin d’extraire un métal de base . ^[1] C’est une forme de métallurgie extractive . Il est utilisé pour extraire de nombreux métaux de leurs minerais, notamment l’argent , le fer , le cuivre et d’autres métaux de base . La fusion utilise de la chaleur et un agent réducteur chimique pour décomposer le minerai, chassant d’autres éléments comme les gaz ou les scories et laissant la base métallique derrière. L’agent réducteur est généralement une source de combustible fossile de carbone , comme le coke – ou, à une époque antérieure,charbon de bois . ^[2] L’oxygène du minerai se lie au carbone à des températures élevées en raison de la plus faible énergie potentielle des liaisons dans le dioxyde de carbone (CO ₂ ). La fonte a surtout lieu dans un haut fourneau pour produire de la fonte brute , qui est convertie en acier .

Four électrique de fusion de phosphate dans une usine chimique TVA (1942)

La source de carbone agit comme un réactif chimique pour éliminer l’oxygène du minerai, donnant l’ élément métallique purifié en tant que produit. La source de carbone est oxydée en deux étapes. Premièrement, le carbone (C) brûle avec l’oxygène (O ₂ ) de l’air pour produire du monoxyde de carbone (CO). Deuxièmement, le monoxyde de carbone réagit avec le minerai (par exemple Fe ₂ O ₃ ) et élimine un de ses atomes d’oxygène, libérant du dioxyde de carbone (CO ₂ ). Après interactions successives avec le monoxyde de carbone, tout l’oxygène du minerai sera éliminé, laissant l’élément métallique brut (par exemple Fe). ^[3] Comme la plupart des minerais sont impurs, il est souvent nécessaire d’utiliser un fondant , comme le calcaire(ou dolomie ), pour enlever la gangue de roche qui l’accompagne sous forme de laitier. Cette réaction de calcination émet également fréquemment du dioxyde de carbone.

Les usines de réduction électrolytique de l’aluminium sont aussi généralement appelées fonderies d’aluminium .

Processus

La fusion implique plus que la simple fusion du métal de son minerai. La plupart des minerais sont le composé chimique du métal et d’autres éléments, tels que l’oxygène (sous forme d’ oxyde ), le soufre (sous forme de sulfure ) ou le carbone et l’oxygène ensemble (sous forme de carbonate ). Pour extraire le métal, les ouvriers doivent faire subir à ces composés une réaction chimique. La fusion consiste donc à utiliser des substances réductrices appropriées qui se combinent avec ces éléments oxydants pour libérer le métal.

Grillage

Dans le cas des sulfures et des carbonates, un procédé appelé « torréfaction » élimine le carbone ou le soufre indésirable, laissant un oxyde, qui peut être directement réduit. La torréfaction est généralement effectuée dans un environnement oxydant. Quelques exemples pratiques :

• La malachite , un minerai commun de cuivre , est principalement de l’hydroxyde de carbonate de cuivre Cu ₂ (CO ₃ )(OH) ₂ . ^[4] Ce minéral subit une décomposition thermique en 2CuO, CO ₂ et H ₂ O ^[5] en plusieurs étapes entre 250 °C et 350 °C. Le dioxyde de carbone et l’eau sont expulsés dans l’atmosphère, laissant de l’oxyde de cuivre (II) , qui peut être directement réduit en cuivre comme décrit dans la section suivante intitulée Réduction .
• La galène , le minéral de plomb le plus commun, est principalement du sulfure de plomb (PbS). Le sulfure est oxydé en sulfite (PbSO ₃ ), qui se décompose thermiquement en oxyde de plomb et dioxyde de soufre gazeux. (PbO et SO ₂ ) Le dioxyde de soufre est expulsé (comme le dioxyde de carbone dans l’exemple précédent), et l’oxyde de plomb est réduit comme ci-dessous.

Réduction

La réduction est la dernière étape à haute température de la fusion, au cours de laquelle l’oxyde devient le métal élémentaire. Un environnement réducteur (souvent fourni par le monoxyde de carbone, produit par une combustion incomplète dans un four privé d’air) extrait les derniers atomes d’ oxygène du métal brut. La température requise varie dans une très large gamme, à la fois en termes absolus et en termes de point de fusion du métal de base. Exemples:

• L’oxyde de fer devient du fer métallique à environ 1250 ° C (2282 ° F ou 1523,15 K), près de 300 degrés en dessous du point de fusion du fer de 1538 ° C (2800,4 ° F ou 1811,15 K). ^[6]
• L’Oxyde mercurique devient du mercure vaporeux près de 550 ° C (1022 ° F ou 823,15 K), près de 600 degrés au-dessus du point de fusion du mercure de -38 ° C (-36,4 ° F ou 235,15 K). ^[7]

Le flux et le laitier peuvent fournir un service secondaire une fois l’étape de réduction terminée : ils fournissent une couverture fondue sur le métal purifié, empêchant le contact avec l’oxygène alors qu’il est encore suffisamment chaud pour s’oxyder facilement. Cela empêche la formation d’impuretés dans le métal.

Flux

Les métallurgistes utilisent des fondants dans la fusion à plusieurs fins, la principale d’entre elles catalysant les réactions souhaitées et se liant chimiquement aux impuretés ou produits de réaction indésirables. L’oxyde de calcium, sous forme de chaux , était souvent utilisé à cette fin, car il pouvait réagir avec le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre produits lors de la torréfaction et de la fusion pour les éloigner de l’environnement de travail.

Histoire

Des sept métaux connus dans l’Antiquité , seul l’or se présente régulièrement sous forme native dans le milieu naturel. Les autres – cuivre , plomb , argent , étain , fer et mercure – se présentent principalement sous forme de minéraux, bien que le cuivre soit parfois trouvé à l’ état natif en quantités commercialement importantes. Ces minéraux sont principalement des carbonates , des sulfures ou des oxydes du métal, mélangés à d’autres composants tels que la Silice et l’Alumine . Grillageles minéraux de carbonate et de sulfure dans l’air les convertissent en oxydes. Les oxydes, à leur tour, sont fondus dans le métal. Le monoxyde de carbone était (et est) l’agent réducteur de choix pour la fusion. Il est facilement produit pendant le processus de chauffage et lorsqu’un gaz entre en contact intime avec le minerai.

Dans l’ Ancien Monde , les humains ont appris à fondre les métaux à l’époque préhistorique , il y a plus de 8000 ans. La découverte et l’utilisation des métaux « utiles » – le cuivre et le bronze d’abord, puis le fer quelques millénaires plus tard – ont eu un impact énorme sur la société humaine. L’impact était si omniprésent que les érudits divisent traditionnellement l’histoire ancienne en âge de pierre , âge du bronze et âge du fer .

Dans les Amériques , les civilisations pré- incas des Andes centrales au Pérou avaient maîtrisé la fonte du cuivre et de l’argent au moins six siècles avant l’arrivée des premiers Européens au XVIe siècle, sans jamais maîtriser la fonte des métaux comme le fer à utiliser avec des armes. -artisanat. ^[8]

Étain et plomb

Dans l’ Ancien Monde , les premiers métaux fondus étaient l’étain et le plomb. Les premières perles de plomb coulées connues ont été trouvées sur le site de Çatal Höyük en Anatolie ( Turquie ) et datées d’environ 6500 av. J.-C., mais le métal était peut-être connu plus tôt. ^{[ citation nécessaire ]}

Étant donné que la découverte a eu lieu plusieurs millénaires avant l’invention de l’écriture, il n’y a aucune trace écrite de la façon dont elle a été fabriquée. Cependant, l’étain et le plomb peuvent être fondus en plaçant les minerais dans un feu de bois, laissant la possibilité que la découverte ait eu lieu par accident.

Le plomb est un métal commun, mais sa découverte a eu relativement peu d’impact dans le monde antique. Il est trop mou pour être utilisé pour des éléments structurels ou des armes, bien que sa densité élevée par rapport aux autres métaux le rende idéal pour les projectiles à fronde . Cependant, comme il était facile à mouler et à façonner, les travailleurs du monde classique de la Grèce antique et de la Rome antique l’ utilisaient largement pour canaliser et stocker l’eau. Ils l’utilisaient également comme mortier dans les constructions en pierre. ^{[9] [10]}

L’étain était beaucoup moins courant que le plomb et n’est que légèrement plus dur et avait encore moins d’impact en soi.

Cuivre et bronze

Après l’étain et le plomb, le prochain métal fondu semble avoir été le cuivre. Comment la découverte a eu lieu est débattue. Les feux de camp sont à environ 200 ° C de moins que la température nécessaire, de sorte que certains proposent que la première fusion du cuivre ait pu avoir lieu dans des fours à poterie . Le développement de la fusion du cuivre dans les Andes, qui se serait produit indépendamment de l’ Ancien Monde , pourrait s’être produit de la même manière. ^[8] La première preuve actuelle de la fusion du cuivre, datant d’entre 5500 avant JC et 5000 avant JC, a été trouvée à Pločnik et Belovode, en Serbie. ^{[11] [12]} Une tête de masse trouvée à Can Hasan, Turquie et daté de 5000 avant JC, autrefois considéré comme la preuve la plus ancienne, semble maintenant être du cuivre natif martelé. ^[13]

La combinaison du cuivre avec de l’étain et/ou de l’arsenic dans les bonnes proportions produit du bronze , un alliage nettement plus dur que le cuivre. Les premiers bronzes cuivre/arsenic datent de 4200 avant JC d’ Asie Mineure . Les alliages de bronze Inca étaient également de ce type. L’arsenic est souvent une impureté dans les minerais de cuivre, de sorte que la découverte pourrait avoir été faite par accident. Finalement, des minéraux contenant de l’arsenic ont été intentionnellement ajoutés lors de la fusion. ^{[ citation nécessaire ]}

Les bronzes cuivre-étain, plus durs et plus durables, ont été développés vers 3500 avant JC, également en Asie Mineure. ^[14]

On ne sait pas comment les forgerons ont appris à produire des bronzes en cuivre/étain. Les premiers bronzes de ce type ont peut-être été un accident chanceux de minerais de cuivre contaminés à l’étain. Cependant, en 2000 avant JC, les gens extrayaient exprès de l’étain pour produire du bronze, ce qui est étonnant étant donné que l’étain est un métal semi-rare, et même un minerai de cassitérite riche ne contient que 5% d’étain. De plus, il faut des compétences spéciales (ou des instruments spéciaux) pour le trouver et localiser des filons plus riches . Cependant, les premiers peuples ont appris l’étain, ils ont compris comment l’utiliser pour fabriquer du bronze en 2000 av. ^{[ citation nécessaire ]}

La découverte de la fabrication du cuivre et du bronze a eu un impact significatif sur l’histoire de l’ Ancien Monde . Les métaux étaient suffisamment durs pour fabriquer des armes plus lourdes, plus solides et plus résistantes aux chocs que les équivalents en bois, en os ou en pierre. Pendant plusieurs millénaires, le bronze a été le matériau de choix pour des armes telles que des épées , des poignards , des haches de combat , des pointes de lance et de flèche , ainsi que des équipements de protection tels que des boucliers , des casques , des jambières (protège-tibias en métal) et d’autres gilets pare-balles . Le bronze a également supplanté la pierre, le bois et les matériaux organiques dans les outils et les ustensiles ménagers, tels queciseaux , scies , herminettes , clous , cisailles , couteaux , aiguilles et épingles à coudre , cruches , marmites et chaudrons , miroirs et harnais pour chevaux . ^{[ citation nécessaire ]} L’étain et le cuivre ont également contribué à l’établissement de réseaux commerciaux couvrant de vastes régions d’Europe et d’Asie, et ont eu un effet majeur sur la répartition des richesses entre les individus et les nations. ^{[ citation nécessaire ]}

Trépieds ding en bronze coulé, de l’encyclopédie chinoise Tiangong Kaiwu de Song Yingxing , publiée en 1637.

Première fusion du fer

La première preuve de la fabrication du fer est un petit nombre de fragments de fer avec les quantités appropriées de mélange de carbone trouvés dans les couches proto-hittites à Kaman-Kalehöyük et datés de 2200 à 2000 avant notre ère . ^[15] Souckova-Siegolová (2001) montre que des outils en fer ont été fabriqués en Anatolie centrale en quantités très limitées vers 1800 avant notre ère et étaient généralement utilisés par les élites, mais pas par les roturiers, pendant le Nouvel Empire hittite (∼1400–1200 avant notre ère) . ^[16]

Les archéologues ont trouvé des indices de travail du fer dans l’Égypte ancienne , quelque part entre la Troisième période intermédiaire et la 23e dynastie (vers 1100–750 avant notre ère). De manière significative cependant, ils n’ont trouvé aucune preuve de la fusion du minerai de fer à aucune période (pré-moderne). De plus, les tout premiers exemples d’ acier au carbone étaient en production il y a environ 2000 ans (autour du premier siècle de notre ère) dans le nord-ouest de la Tanzanie , sur la base de principes de préchauffage complexes. Ces découvertes sont importantes pour l’histoire de la métallurgie. ^[17]

La plupart des premiers processus en Europe et en Afrique impliquaient la fusion du minerai de fer dans une bloomerie , où la température est maintenue suffisamment basse pour que le fer ne fonde pas. Cela produit une masse spongieuse de fer appelée bloom, qui doit ensuite être consolidée avec un marteau pour produire du fer forgé . La première preuve à ce jour de la fusion du fer par bloomery se trouve à Tell Hammeh , en Jordanie ( [1] ), et date de 930 avant notre ère ( datation C14 ).

Plus tard la fonte du fer

A partir de la période médiévale, un procédé indirect a commencé à remplacer la réduction directe des bloomeries. Cela utilisait un haut fourneau pour fabriquer de la fonte brute , qui devait ensuite subir un autre processus pour fabriquer du fer à barres forgeable. Les processus de la deuxième étape comprennent l’affinage dans une forge de parure et, à partir de la révolution industrielle , le puddlage . Les deux procédés sont désormais obsolètes et le fer forgé est désormais rarement fabriqué. Au lieu de cela, l’acier doux est produit à partir d’un Convertisseur Bessemer ou par d’autres moyens, y compris des processus de réduction par fusion tels que le processus Corex .

Des métaux de base

Cowles Syndicate of Ohio à Stoke-upon-Trent Angleterre , fin des années 1880. British Aluminium a utilisé le procédé de Paul Héroult à cette époque. ^[18]

Les minerais de métaux de base sont souvent des sulfures. Au cours des derniers siècles, des fours à réverbère ont été utilisés pour séparer la charge fondue du combustible. Traditionnellement, ils étaient utilisés pour la première étape de la fusion : former deux liquides, l’un un laitier d’oxyde contenant la plupart des impuretés, et l’autre une matte de sulfure contenant le précieux sulfure de métal et quelques impuretés. De tels fours “à réverbération” mesurent aujourd’hui environ 40 mètres de long, 3 mètres de haut et 10 mètres de large. Le combustible est brûlé à une extrémité pour faire fondre les concentrés de sulfure secs (généralement après grillage partiel) qui sont introduits à travers des ouvertures dans le toit du four. Les scories flottent sur la matte plus lourde et sont retirées et jetées ou recyclées. La matte de sulfure est ensuite envoyée vers leconvertisseur . Les détails précis du processus varient d’un four à l’autre en fonction de la minéralogie du corps minéralisé.

Alors que les fours à réverbère produisaient des scories contenant très peu de cuivre, ils étaient relativement peu économes en énergie et dégageaient une faible concentration de dioxyde de soufre difficile à capter; une nouvelle génération de technologies de fusion du cuivre les a supplantées. ^[19] Des fours plus récents exploitent la fusion par bain, la fusion par lance à jet supérieur, la fusion éclair et les hauts fourneaux. Quelques exemples de fonderies de bain comprennent le four Noranda, l’ Isasmeltfour, le réacteur Teniente, la fonderie Vunyukov et la technologie SKS. Les fonderies à jet par le haut comprennent le réacteur de fusion Mitsubishi. Les fonderies éclair représentent plus de 50 % des fonderies de cuivre dans le monde. Il existe de nombreuses autres variétés de procédés de fusion, notamment le Kivset, l’Ausmelt, le Tamano, l’EAF et le BF.

Impacts sur l’environnement et la santé au travail

La fusion a de graves effets sur l’environnement , produisant des eaux usées et des scories et libérant des métaux toxiques tels que le cuivre , l’argent, le fer, le cobalt et le sélénium dans l’atmosphère. ^[20] Les fonderies libèrent également du dioxyde de soufre gazeux , contribuant aux pluies acides , qui acidifient le sol et l’eau. ^[21]

La fonderie de Flin Flon, au Canada, était l’une des plus importantes sources ponctuelles de mercure en Amérique du Nord au XXe siècle. ^{[22] [23]} Même après que les rejets de fonderie aient été considérablement réduits, la réémission du paysage a continué à être une source régionale majeure de mercure. Les lacs seront probablement contaminés par le mercure de la fonderie pendant des décennies, à la fois par les réémissions sous forme d’eau de pluie et par la lixiviation des métaux du sol. ^[22]

La pollution de l’air

Apprendre encore plus Cette section doit être complétée par : Description des émissions de polluants atmosphériques et options de contrôle. Vous pouvez aider en y ajoutant . ( septembre 2021 )

Eaux usées

Les polluants des eaux usées rejetés par les usines sidérurgiques comprennent des produits de gazéification tels que le benzène , le naphtalène , l’anthracène , le cyanure , l’ammoniac , les phénols et les crésols , ainsi qu’une gamme de composés organiques plus complexes connus collectivement sous le nom d’ hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). ^[24] Les technologies de traitement comprennent le recyclage des eaux usées ; bassins de décantation , clarificateurs et systèmes de filtration pour l’élimination des solides ; écrémeurs et filtration d’huile; précipitation chimiqueet filtration des métaux dissous ; adsorption du carbone et oxydation biologique des polluants organiques ; et évaporation. ^[25]

Les polluants générés par d’autres types de fonderies varient selon le minerai de métal de base. Par exemple, les fonderies d’aluminium génèrent généralement du fluorure , du benzo(a)pyrène , de l’antimoine et du nickel , ainsi que de l’aluminium. Les fonderies de cuivre rejettent généralement du cadmium , du plomb, du zinc , de l’arsenic et du nickel, en plus du cuivre. ^[26]

Impacts sur la santé

Les ouvriers travaillant dans l’industrie de la fonte ont signalé des maladies respiratoires inhibant leur capacité à effectuer les tâches physiques exigées par leur travail. ^[27]

Règlements

Aux États-Unis, l’ Environmental Protection Agency a publié des règlements sur le contrôle de la pollution pour les fonderies.

• Normes de pollution de l’air en vertu de la Clean Air Act ^[28]
• Normes de pollution de l’eau ( lignes directrices sur les effluents ) en vertu de la Loi sur l’ assainissement de l’eau . ^{[29] [30]}

Voir également

• Fonte
• Diagramme d’Ellingham , utile pour prédire les conditions dans lesquelles un minerai se réduit en son métal
• Techniques d’extraction du cuivre
• Mâchefer
• Coupellation
• Fusion du plomb
• Métallurgie
• Pyrométallurgie
• Fer forgé
• Fusion du zinc

Références

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2. ^ “Fonte” . Encyclopédie Britannica . Récupéré le 15 août 2018 .
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Bibliographie

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Liens externes

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