Minerai de fer

Les minerais de fer ^[1] sont des roches et des minéraux dont le fer métallique peut être extrait économiquement. Les minerais sont généralement riches en oxydes de fer et leur couleur varie du gris foncé, jaune vif ou violet foncé au rouge rouille. Le fer se trouve généralement sous forme de magnétite ( Fe₃O₄, 72,4 % Fe), hématite ( Fe₂O₃, 69,9 % Fe), goethite ( FeO(OH) , 62,9 % Fe), limonite ( FeO(OH)·n(H ₂ O) , 55 % Fe) ou sidérite ( FeCO ₃ , 48,2 % Fe).

Hématite : principal minerai de fer des mines brésiliennes. Des stocks de boulettes de minerai de fer comme celui-ci sont utilisés dans la production d’ acier . Déchargement du minerai de fer sur les quais de Toledo, Ohio.

Les minerais contenant de très grandes quantités d’hématite ou de magnétite (plus d’environ 60 % de fer) sont appelés “minerai naturel” ou “minerai d’expédition directe”, ce qui signifie qu’ils peuvent être introduits directement dans les hauts fourneaux de fabrication du fer . Le minerai de fer est la matière première utilisée pour fabriquer de la fonte brute , qui est l’une des principales matières premières pour fabriquer de l’ acier — 98 % du minerai de fer extrait est utilisé pour fabriquer de l’acier. ^[2] En 2011, le Financial Times citait Christopher LaFemina, analyste minier chez Barclays Capital, affirmant que le minerai de fer faisait « plus partie intégrante de l’ Économie mondiale que toute autre matière première, à l’exception peut -être du pétrole ». ^[3]

Sources

Le fer métallique est pratiquement inconnu à la surface de la Terre , sauf sous forme d’ alliages fer-nickel provenant de météorites et de formes très rares de xénolithes du manteau profond . On pense que certaines météorites de fer proviennent de corps accrétés de 1 000 km de diamètre ou plus. ^[4] L’origine du fer peut finalement être attribuée à la formation par fusion nucléaire dans les étoiles et on pense que la majeure partie du fer provient d’étoiles mourantes suffisamment grandes pour s’effondrer ou exploser en supernovae . ^[5] Bien que le fer soit le quatrième élément le plus abondant de la croûte terrestre , composant environ 5 %, la grande majorité est liée àles minéraux silicatés ou plus rarement carbonatés (pour plus d’informations, voir cycle du fer ). Les barrières thermodynamiques pour séparer le fer pur de ces minéraux sont formidables et énergivores ; par conséquent, toutes les sources de fer utilisées par l’industrie humaine exploitent des minéraux d’ oxyde de fer relativement plus rares, principalement l’hématite .

Avant la révolution industrielle, la majeure partie du fer était obtenue à partir de minerai de goethite ou de tourbière largement disponible , par exemple pendant la Révolution américaine et les guerres napoléoniennes . Les sociétés préhistoriques utilisaient la latérite comme source de minerai de fer. Historiquement, une grande partie du minerai de fer utilisé par les sociétés industrialisées a été extraite de gisements à prédominance d’hématite avec des teneurs d’environ 70% Fe. Ces gisements sont communément appelés “minerais à expédition directe” ou “minerais naturels”. L’augmentation de la demande de minerai de fer, associée à l’épuisement des minerais d’hématite à haute teneur aux États-Unis, a conduit après la Seconde Guerre mondialeau développement de sources de minerai de fer à faible teneur, principalement l’utilisation de la magnétite et de la taconite .

Les méthodes d’extraction du minerai de fer varient selon le type de minerai extrait. Il existe quatre principaux types de gisements de minerai de fer exploités actuellement, en fonction de la minéralogie et de la géologie des gisements de minerai. Il s’agit de gisements de magnétite, de titanomagnétite , d’hématite massive et de roches ferrugineuses pisolitiques .

Formations de fer rubanées

Roche vieille de 2,1 milliards d’années montrant une formation de fer rubanée. Granulés de taconite transformés avec Oxydation de surface rougeâtre tels qu’utilisés dans l’ industrie sidérurgique , avec un quart américain (diamètre: 24 mm [0,94 in]) indiqué pour l’échelle.

Les formations de fer en bandes (BIF) sont des roches sédimentaires contenant plus de 15 % de fer composées principalement de minéraux de fer en couches minces et de Silice (sous forme de quartz ). Les formations de fer rubanées se produisent exclusivement dans les roches précambriennes et sont généralement faiblement à intensément métamorphisées . Les formations de fer rubanées peuvent contenir du fer sous forme de carbonates ( sidérite ou ankérite ) ou de silicates ( minnesotaite , greenalite ou grunerite ), mais dans celles extraites sous forme de minerais de fer, d’ oxydes ( magnétite ouhématite ) sont le principal minéral de fer. ^[6] Les formations de fer en bandes sont connues sous le nom de taconite en Amérique du Nord.

L’exploitation minière implique le déplacement d’énormes quantités de minerai et de déchets. Les déchets se présentent sous deux formes : le substratum rocheux non minéralisé dans la mine ( mort- terrain ou interterrain connu localement sous le nom de mullock) et les minéraux indésirables qui font partie intégrante de la roche minéralisée elle-même ( gangue ). Le mulet est extrait et empilé dans des décharges , et la gangue est séparée pendant le processus d’ enrichissement et est retirée comme résidus . Les résidus de taconite sont principalement constitués de quartz minéral, qui est chimiquement inerte. Ce matériau est stocké dans de grands bassins de décantation régulés.

Minerais de magnétite

Les paramètres clés pour que le minerai de magnétite soit économique sont la cristallinité de la magnétite, la teneur du fer dans la roche hôte de la formation de fer rubanée et les éléments contaminants qui existent dans le concentré de magnétite. La taille et le rapport de décapage de la plupart des ressources de magnétite ne sont pas pertinents car une formation de fer en bandes peut avoir des centaines de mètres d’épaisseur, s’étendre sur des centaines de kilomètres le long de la direction et peut facilement atteindre plus de trois milliards de tonnes ou plus de minerai contenu.

La teneur typique en fer à laquelle une formation de fer rubanée contenant de la magnétite devient économique est d’environ 25 % de fer, ce qui peut généralement donner une récupération de 33 % à 40 % de magnétite en poids, pour produire un concentré d’une teneur supérieure à 64 % de fer par masse. Le concentré typique de minerai de fer magnétite contient moins de 0,1 % de phosphore , 3 à 7 % de Silice et moins de 3 % d’aluminium .

Actuellement, le minerai de fer magnétite est extrait au Minnesota et au Michigan aux États- Unis , dans l’est du Canada et dans le nord de la Suède . ^[7] La ​​formation de fer en bandes contenant de la magnétite est actuellement largement exploitée au Brésil , qui exporte des quantités importantes vers l’ Asie , et il existe une industrie naissante et importante du minerai de fer à magnétite en Australie .

Minerais d’expédition directe (hématite)

Les gisements de minerai de fer à expédition directe (DSO) (généralement composés d’ hématite ) sont actuellement exploités sur tous les continents à l’exception de l’Antarctique , avec la plus grande intensité en Amérique du Sud , en Australie et en Asie. La plupart des grands gisements de minerai de fer d’hématite proviennent de formations de fer rubanées altérées et rarement d’accumulations ignées.

Les gisements DSO sont généralement plus rares que le BIF contenant de la magnétite ou d’autres roches qui forment sa principale source ou roche protolithe, mais sont considérablement moins chers à exploiter et à traiter car ils nécessitent moins d’enrichissement en raison de la teneur plus élevée en fer. Cependant, les minerais DSO peuvent contenir des concentrations significativement plus élevées d’éléments de pénalité, généralement plus élevées en phosphore, en teneur en eau (en particulier les accumulations sédimentaires de pisolite ) et en aluminium ( argiles dans les pisolites). Les minerais DSO de qualité export se situent généralement dans la plage de 62 à 64% Fe. ^[8]

Gisements de minerai de magnétite magmatique

Parfois , le granite et les roches ignées ultrapotassiques séparent les cristaux de magnétite et forment des masses de magnétite adaptées à une concentration économique. ^[9] Quelques gisements de minerai de fer, notamment au Chili , sont formés à partir de coulées volcaniques contenant d’importantes accumulations de phénocristaux de magnétite . ^[10] Les gisements chiliens de minerai de fer de magnétite dans le désert d’ Atacama ont également formé des accumulations alluviales de magnétite dans les ruisseaux menant de ces formations volcaniques.

Certains gisements de skarn de magnétite et hydrothermaux ont été exploités dans le passé en tant que gisements de minerai de fer à haute teneur nécessitant peu d’enrichissement . Il existe plusieurs gisements associés au granite de cette nature en Malaisie et en Indonésie .

D’autres sources de minerai de fer magnétite comprennent des accumulations métamorphiques de minerai massif de magnétite comme à Savage River , en Tasmanie , formé par cisaillement d’ ultramafiques d’ ophiolite .

Une autre source, mineure, de minerais de fer sont des accumulations magmatiques dans des intrusions stratifiées qui contiennent une magnétite typiquement titanique souvent avec du vanadium . Ces minerais forment un marché de niche, avec des fonderies spécialisées utilisées pour récupérer le fer, le titane et le vanadium. Ces minerais sont enrichis essentiellement de la même manière que les minerais de formation de fer en bandes, mais sont généralement plus facilement valorisés par concassage et criblage . Le concentré typique de titanomagnétite a des teneurs de 57 % Fe, 12 % Ti et 0,5 % V₂O₅. ^{[ citation nécessaire ]}

Résidus miniers

Pour chaque tonne de concentré de minerai de fer produite, environ 2,5 à 3,0 tonnes de résidus de minerai de fer seront rejetées. Les statistiques montrent qu’il y a 130 millions de tonnes de minerai de fer rejetées chaque année. Si, par exemple, les résidus miniers contiennent en moyenne environ 11 % de fer, environ 1,41 million de tonnes de fer seraient gaspillées chaque année. ^[11] Ces résidus sont également riches en autres métaux utiles tels que le cuivre , le nickel et le cobalt , ^[12] et ils peuvent être utilisés pour les matériaux de construction de routes comme les chaussées et les matériaux de remplissage et de construction tels que le ciment, le verre de qualité inférieure, et les matériaux des murs. ^{[11] [13] [14]}Bien que les résidus soient un minerai à teneur relativement faible, ils sont également peu coûteux à collecter car ils n’ont pas besoin d’être extraits. Pour cette raison, des entreprises telles que Magnetation ont lancé des projets de récupération dans lesquels elles utilisent des résidus de minerai de fer comme source de fer métallique. ^[11]

Les deux principales méthodes de recyclage du fer à partir de résidus de minerai de fer sont le grillage magnétisant et la réduction directe. La torréfaction magnétisante utilise des températures comprises entre 700 et 900 °C pendant une durée inférieure à 1 heure pour produire un concentré de fer (Fe ₃ O ₄ ) à utiliser pour la fonte du fer. Pour la torréfaction magnétisante, il est important d’avoir une atmosphère réductrice pour éviter l’Oxydation et la formation de Fe ₂ O ₃ car il est plus difficile à séparer car moins Magnétique. ^{[11] [15]} La réduction directe utilise des températures plus chaudes de plus de 1 000 °C et des durées plus longues de 2 à 5 heures. La réduction directe est utilisée pour produire de l’éponge de fer(Fe) à utiliser pour la fabrication de l’acier. La réduction directe nécessite plus d’énergie car les températures sont plus élevées et le temps est plus long et elle nécessite plus d’agent réducteur que la torréfaction magnétisante. ^{[11] [16] [17]}

Extraction

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Les sources de minerai de fer de qualité inférieure nécessitent généralement une valorisation , en utilisant des techniques telles que le concassage, le broyage , la séparation par gravité ou en milieu lourd , le criblage et la flottation par mousse de Silice pour améliorer la concentration du minerai et éliminer les impuretés. Les résultats, des poudres de minerai fines de haute qualité, sont connus sous le nom de fines.

Magnétite

La magnétite est Magnétique et donc facilement séparée des minéraux de la gangue et capable de produire un concentré de haute qualité avec de très faibles niveaux d’impuretés.

La granulométrie de la magnétite et son degré de mélange avec la masse de Silice déterminent la taille de broyage à laquelle la roche doit être broyée pour permettre une séparation Magnétique efficace afin de fournir un concentré de magnétite de haute pureté. Cela détermine les entrées d’énergie nécessaires pour exécuter une opération de fraisage.

L’exploitation des formations de fer en bandes implique un concassage et un criblage grossiers, suivis d’un concassage grossier et d’un broyage fin pour broyer le minerai au point où la magnétite cristallisée et le quartz sont suffisamment fins pour que le quartz soit laissé lorsque la poudre résultante est passée sous un séparateur Magnétique .

Généralement, la plupart des dépôts de formation de fer en bandes de magnétite doivent être broyés entre 32 et 45 micromètres afin de produire un concentré de magnétite à faible teneur en Silice. Les grades de concentré de magnétite contiennent généralement plus de 70 % de fer en poids et sont généralement à faible teneur en phosphore, à faible teneur en aluminium, à faible teneur en titane et à faible teneur en Silice et exigent un prix supérieur.

Hématite

En raison de la densité élevée de l’hématite par rapport à la gangue de silicate associée , l’enrichissement de l’hématite implique généralement une combinaison de techniques d’enrichissement.

Un procédé repose sur le passage du minerai finement broyé sur une bouillie contenant de la magnétite ou un autre agent tel que le ferrosilicium qui augmente sa densité. Lorsque la densité de la suspension est correctement calibrée, l’hématite coulera et les fragments de minéraux silicatés flotteront et pourront être retirés. ^[18]

Production et consommation

Évolution de la teneur en minerai de fer extrait dans différents pays (Canada, Chine, Australie, Brésil, États-Unis, Suède, URSS-Russie, monde). La baisse récente de la teneur mondiale en minerai est due à la grande consommation de minerais chinois à faible teneur. Le minerai américain est valorisé entre 61% et 64% avant d’être vendu. ^[19]

Production de minerai de fer utilisable en millions de tonnes métriques pour 2015 ^[20] Les estimations de la production minière pour la Chine sont estimées à partir des statistiques de minerai brut du Bureau national des statistiques de Chine, plutôt que du minerai utilisable comme indiqué pour les autres pays. ^[21]

Pays	Production
Australie	817
Brésil	397
Chine	375*
Inde	156
Russie	101
Afrique du Sud	73
Ukraine	67
États-Unis	46
Canada	46
L’Iran	27
Suède	25
Kazakhstan	21
Autres pays	132
Monde total	2 280

Le fer est le métal le plus couramment utilisé dans le monde : l’acier, dont le minerai de fer est l’ingrédient clé, représentant près de 95 % de tous les métaux utilisés chaque année. ^[3] Il est principalement utilisé dans les structures, les navires, les automobiles et les machines.

Les roches riches en fer sont courantes dans le monde entier, mais les opérations minières commerciales de minerai sont dominées par les pays énumérés dans le tableau à côté. La principale contrainte économique pour les gisements de minerai de fer n’est pas nécessairement la qualité ou la taille des gisements, car il n’est pas particulièrement difficile de prouver géologiquement qu’un tonnage suffisant de roches existe. La principale contrainte est la position du minerai de fer par rapport au marché, le coût de l’infrastructure ferroviaire pour l’acheminer vers le marché et le coût de l’énergie nécessaire pour le faire.

L’extraction du minerai de fer est une activité à volume élevé et à faible marge, car la valeur du fer est nettement inférieure à celle des métaux de base. ^[22] Il est très capitalistique et nécessite des investissements importants dans des infrastructures telles que le rail afin de transporter le minerai de la mine à un navire de fret. ^[22] Pour ces raisons, la production de minerai de fer est concentrée entre les mains de quelques grands acteurs.

La production mondiale est en moyenne de deux milliards de tonnes métriques de minerai brut par an. Le plus grand producteur mondial de minerai de fer est la société minière brésilienne Vale , suivie par les sociétés anglo-australiennes Rio Tinto Group puis BHP . Un autre fournisseur australien, Fortescue Metals Group Ltd, a contribué à faire de la production australienne la première au monde.

Le commerce maritime de minerai de fer, c’est-à-dire le minerai de fer à expédier vers d’autres pays, était de 849 millions de tonnes en 2004. ^[22] L’Australie et le Brésil dominent le commerce maritime, avec 72 % du marché. ^[22] BHP, Rio et Vale contrôlent à eux deux 66 % de ce marché. ^[22]

En Australie , le minerai de fer provient de trois sources principales : la pisolite « gisement de fer de chenal », minerai dérivé par érosion mécanique de formations de fer rubanées primaires et accumulé dans des chenaux alluviaux comme à Pannawonica, Australie occidentale ; et les minerais dominants liés à la formation de fer en bandes métasomatiquement altérés , tels que Newman , la chaîne de Chichester , la chaîne de Hamersley et Koolyanobbing , en Australie occidentale . D’autres types de minerais sont apparus récemment, tels que les hardcaps ferrugineux oxydés, par exemple les gisements de minerai de fer latéritique près du lac Argyle .en Australie occidentale.

Les réserves totales récupérables de minerai de fer en Inde sont d’environ 9 602 millions de tonnes d’ hématite et 3 408 millions de tonnes de magnétite . ^[23] Chhattisgarh , Madhya Pradesh , Karnataka , Jharkhand , Odisha , Goa , Maharashtra , Andhra Pradesh , Kerala , Rajasthan et Tamil Nadu sont les principaux producteurs indiens de minerai de fer. La consommation mondiale de minerai de fer augmente de 10 % par an ^{[ citation nécessaire ]}en moyenne, les principaux consommateurs étant la Chine, le Japon, la Corée, les États-Unis et l’Union européenne.

La Chine est actuellement le plus grand consommateur de minerai de fer, ce qui se traduit par le plus grand pays producteur d’acier au monde. C’est aussi le plus grand importateur, achetant 52 % du commerce maritime de minerai de fer en 2004. ^[22] La Chine est suivie par le Japon et la Corée, qui consomment une quantité importante de minerai de fer brut et de charbon métallurgique . En 2006, la Chine a produit 588 millions de tonnes de minerai de fer, avec une croissance annuelle de 38 %.

Marché du minerai de fer

Au cours des 40 dernières années, les prix du minerai de fer ont été décidés dans le cadre de négociations à huis clos entre la petite poignée de mineurs et de sidérurgistes qui dominent les marchés au comptant et contractuels. Traditionnellement, le premier accord conclu entre ces deux groupes établit une référence à suivre par le reste de l’industrie. ^[3]

Ces dernières années, cependant, ce système de référence a commencé à s’effondrer, les acteurs des chaînes de demande et d’approvisionnement appelant à passer à des prix à court terme. Étant donné que la plupart des autres produitsdisposent déjà d’un système de tarification basé sur le marché, il est naturel que le minerai de fer emboîte le pas. Pour répondre aux demandes croissantes du marché pour une tarification plus transparente, un certain nombre de bourses financières et/ou de chambres de compensation dans le monde ont proposé la compensation des swaps de minerai de fer. Le groupe CME, SGX (Singapore Exchange), London Clearing House (LCH.Clearnet), NOS Group et ICEX (Indian Commodities Exchange) proposent tous des swaps compensés basés sur les données de transaction de minerai de fer de The Steel Index (TSI). Le CME propose également un swap basé sur Platts, en plus de leur compensation de swap TSI. L’ICE (Intercontinental Exchange) propose également un service de compensation de swap basé sur Platts. Le marché des swaps s’est développé rapidement, la liquidité se concentrant autour des prix de TSI. ^[24]En avril 2011, plus de 5,5 milliards de dollars américains de swaps de minerai de fer avaient été compensés sur la base des prix TSI. En août 2012, plus d’un million de tonnes d’échanges de swaps par jour avaient lieu régulièrement, sur la base de TSI.

Un développement relativement nouveau a également été l’introduction d’options sur le minerai de fer, en plus des swaps. Le groupe CME a été le lieu le plus utilisé pour la compensation des options écrites contre TSI, avec un intérêt ouvert sur plus de 12 000 lots en août 2012.

Singapore Mercantile Exchange (SMX) a lancé le premier contrat à terme mondial sur le minerai de fer, basé sur le Metal Bulletin Iron Ore Index (MBIOI) qui utilise les données quotidiennes sur les prix d’un large éventail d’acteurs de l’industrie et du cabinet de conseil et de données chinois indépendant Shanghai Steelhome’s large base de contacts des producteurs d’acier et des négociants en minerai de fer à travers la Chine. ^[25] Le contrat à terme a enregistré des volumes mensuels supérieurs à 1,5 million de tonnes après huit mois de négociation. ^[26]

Cette décision fait suite au passage à des prix trimestriels indexés par les trois plus grandes sociétés minières de minerai de fer au monde – Vale , Rio Tinto et BHP – au début de 2010, rompant avec une tradition de 40 ans de prix annuels de référence. ^[27]

Abondance par pays

Ressources mondiales disponibles en minerai de fer

Le fer est l’élément le plus abondant sur terre mais pas dans la croûte. ^[28] L’étendue des réserves de minerai de fer accessibles n’est pas connue, bien que Lester Brown du Worldwatch Institute ait suggéré en 2006 que le minerai de fer pourrait s’épuiser d’ici 64 ans (c’est-à-dire d’ici 2070), sur la base d’une croissance de 2 % de la demande par an. ^[29]

Australie

Geoscience Australia calcule que les « Ressources économiques démontrées » de fer du pays s’élèvent actuellement à 24 gigatonnes , soit 24 milliards de tonnes. ^{[ citation nécessaire ]} Une autre estimation place les réserves de minerai de fer de l’Australie à 52 milliards de tonnes, soit 30 % des 170 milliards de tonnes estimées dans le monde, dont l’Australie occidentale représente 28 milliards de tonnes. ^[30] Le taux de production actuel de la région de Pilbara en Australie occidentale est d’environ 430 millions de tonnes par an et en augmentation. Gavin Mudd ( Université RMIT ) et Jonathon Law ( CSIRO) s’attendent à ce qu’il disparaisse d’ici 30 à 50 ans et 56 ans, respectivement. ^[31] Ces estimations de 2010 nécessitent un examen continu pour tenir compte de l’évolution de la demande de minerai de fer à faible teneur et de l’amélioration des techniques d’extraction et de récupération (permettant une extraction plus profonde sous la nappe phréatique).

États-Unis

En 2014, les mines aux États-Unis ont produit 57,5 ​​millions de tonnes métriques de minerai de fer d’une valeur estimée à 5,1 milliards de dollars. ^[32] On estime que l’exploitation minière du fer aux États-Unis a représenté 2 % de la production mondiale de minerai de fer. Aux États-Unis, il existe douze mines de minerai de fer, neuf étant des mines à ciel ouvert et trois étant des opérations de remise en état. Il y avait également dix usines de bouletage, neuf usines de concentration, deux usines de fer à réduction directe (DRI) et une usine de pépites de fer qui fonctionnaient en 2014. ^[32] Aux États-Unis, la majorité de l’extraction de minerai de fer se situe dans les gammes de fer autour Lac Supérieur . Ces gammes de fer se produisent dans le Minnesotaet le Michigan qui, ensemble, représentaient 93 % du minerai de fer utilisable produit aux États-Unis en 2014. Sept des neuf mines à ciel ouvert opérationnelles aux États-Unis sont situées au Minnesota, ainsi que deux des trois opérations de récupération des résidus. Les deux autres mines à ciel ouvert actives étaient situées dans le Michigan , en 2016 l’une des deux mines a fermé. ^[32] Il y a aussi eu des mines de minerai de fer dans l’Utah et l’ Alabama ; cependant, la dernière mine de minerai de fer de l’Utah a fermé ses portes en 2014 ^[32] et la dernière mine de minerai de fer de l’Alabama a fermé ses portes en 1975. ^[33]

Canada

En 2017, les mines de minerai de fer canadiennes ont produit 49 millions de tonnes de minerai de fer sous forme de boulettes de concentré et 13,6 millions de tonnes d’acier brut. Sur les 13,6 millions de tonnes d’acier, 7 millions ont été exportées et 43,1 millions de tonnes de minerai de fer ont été exportées pour une valeur de 4,6 milliards de dollars. Du minerai de fer exporté, 38,5 % du volume étaient des boulettes de minerai de fer d’une valeur de 2,3 milliards de dollars et 61,5 % étaient des concentrés de minerai de fer d’une valeur de 2,3 milliards de dollars. ^[34] Quarante-six pour cent du minerai de fer du Canada provient de la mine Iron Ore Company of Canada , à Labrador City , Terre- Neuve , avec des sources secondaires, y compris la mine Mary River , Nunavut . ^{[34] [35]}

Brésil

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Le Brésil est le deuxième plus grand producteur de minerai de fer, l’ Australie étant le plus grand. En 2015, le Brésil a exporté 397 millions de tonnes de minerai de fer utilisable. ^[32] En décembre 2017, le Brésil a exporté 346 497 tonnes métriques de minerai de fer et de décembre 2007 à mai 2018, il a exporté une moyenne mensuelle de 139 299 tonnes métriques. ^[36]

Ukraine

Selon le rapport 2021 de l’US Geological Survey sur le minerai de fer ^[37] , l’Ukraine aurait produit 62 millions de tonnes de minerai de fer en 2020 (2019 : 63 millions de tonnes), ce qui en fait le septième plus grand centre mondial de production de minerai de fer, derrière l’Australie, le Brésil, la Chine, l’Inde, la Russie et l’Afrique du Sud. Les producteurs de minerai de fer en Ukraine comprennent : Ferrexpo , Metinvest et ArcelorMittal Kryvyi Rih .

Fonte

Les minerais de fer sont constitués d’atomes d’ oxygène et de fer liés ensemble en molécules. Pour le convertir en fer métallique, il doit être fondu ou soumis à un processus de réduction directe pour éliminer l’oxygène. Les liaisons oxygène-fer sont fortes, et pour éliminer le fer de l’oxygène, une liaison élémentaire plus forte doit être présentée pour se fixer à l’oxygène. Le carbone est utilisé car la force d’une Liaison carbone-oxygène est supérieure à celle de la liaison fer-oxygène, à des températures élevées. Ainsi, le minerai de fer doit être réduit en poudre et mélangé avec du coke , pour être brûlé lors du processus de fusion.

Le monoxyde de carbone est le principal ingrédient de l’extraction chimique de l’oxygène du fer. Ainsi, la fusion du fer et du carbone doit être maintenue dans un état déficient en oxygène (réducteur) pour favoriser la combustion du carbone afin de produire du CO et non du CO .₂.

• Jet d’air et charbon de bois (coke): 2 C + O ₂ → 2 CO
• Le monoxyde de carbone (CO) est le principal agent réducteur.
  • Première étape : 3 Fe ₂ O ₃ + CO → 2 Fe ₃ O ₄ + CO ₂
  • Deuxième étape : Fe ₃ O ₄ + CO → 3 FeO + CO ₂
  • Troisième étape : FeO + CO → Fe + CO ₂
• Calcination du calcaire : CaCO ₃ → CaO + CO ₂
• Chaux servant de fondant : CaO + SiO ₂ → CaSiO ₃

Oligo-éléments

L’inclusion de quantités même minimes de certains éléments peut avoir des effets profonds sur les caractéristiques comportementales d’un lot de fer ou sur le fonctionnement d’une fonderie. Ces effets peuvent être à la fois bons et mauvais, certains catastrophiquement mauvais. Certains produits chimiques sont délibérément ajoutés, comme le flux qui rend un haut fourneau plus efficace. D’autres sont ajoutés parce qu’ils rendent le fer plus fluide, plus dur ou lui confèrent une autre qualité souhaitable. Le choix du minerai, du combustible et du fondant détermine le comportement du laitier et les caractéristiques opérationnelles du fer produit. Idéalement, le minerai de fer ne contient que du fer et de l’oxygène. En réalité c’est rarement le cas. En règle générale, le minerai de fer contient une foule d’éléments qui sont souvent indésirables dans l’acier moderne.

Silicium

Silice ( SiO₂) est presque toujours présent dans le minerai de fer. La majeure partie est décrassée pendant le processus de fusion. À des températures supérieures à 1 300 ° C (2 370 ° F), certains seront réduits et formeront un alliage avec le fer. Plus le four est chaud, plus il y aura de silicium dans le fer. Il n’est pas rare de trouver jusqu’à 1,5 % de Si dans la fonte européenne du XVIe au XVIIIe siècle.

L’effet majeur du silicium est de favoriser la formation de fonte grise. La fonte grise est moins cassante et plus facile à finir que la fonte blanche. Il est préféré à des fins de coulée pour cette raison. Turner (1900 , pp. 192-197) a rapporté que le silicium réduit également le retrait et la formation d’évents, réduisant ainsi le nombre de mauvais moulages.

Phosphore

Le phosphore (P) a quatre effets majeurs sur le fer : une dureté et une résistance accrues, une température de solidus plus basse, une fluidité accrue et une brièveté à froid. Selon l’utilisation prévue du fer, ces effets sont bons ou mauvais. Le Minerai de tourbière a souvent une forte teneur en phosphore ( Gordon 1996 , p. 57).

La résistance et la dureté du fer augmentent avec la concentration de phosphore. 0,05% de phosphore dans le fer forgé le rend aussi dur que l’acier au carbone moyen. Le fer à haute teneur en phosphore peut également être durci par martelage à froid. L’effet de durcissement est vrai pour toute concentration de phosphore. Plus il y a de phosphore, plus le fer devient dur et plus il peut être durci par martelage. Les aciéries modernes peuvent augmenter la dureté jusqu’à 30 %, sans sacrifier la résistance aux chocs, en maintenant les niveaux de phosphore entre 0,07 et 0,12 %. Il augmente également la profondeur de durcissement dû à la trempe, mais en même temps diminue également la solubilité du carbone dans le fer à haute température. Cela réduirait son utilité dans la fabrication d’acier blister (cémentation), où la vitesse et la quantité d’absorption de carbone sont la considération primordiale.

L’ajout de phosphore a un inconvénient. À des concentrations supérieures à 0,2 %, le fer devient de plus en plus froid, court ou cassant à basse température. Le short froid est particulièrement important pour le fer à repasser. Bien que le fer à barre soit généralement travaillé à chaud, ses utilisations ^{[ exemple nécessaire ]} exigent souvent qu’il soit solide, pliable et résistant aux chocs à température ambiante. Un clou qui se brisait lorsqu’il était frappé avec un marteau ou une roue de chariot qui se cassait lorsqu’il heurtait un rocher ne se vendrait pas bien. ^{[ citation nécessaire ]} Des concentrations suffisamment élevées de phosphore rendent tout fer inutilisable ( Rostoker & Bronson 1990, p. 22). Les effets de la brièveté du froid sont amplifiés par la température. Ainsi, une pièce de fer parfaitement utilisable en été peut devenir extrêmement cassante en hiver. Il existe des preuves qu’au Moyen Âge, les très riches pouvaient avoir une épée à haute teneur en phosphore pour l’été et une épée à faible teneur en phosphore pour l’hiver ( Rostoker & Bronson 1990 , p. 22).

Un contrôle minutieux du phosphore peut être d’un grand avantage dans les opérations de coulée. Le phosphore abaisse la température du liquidus, permettant au fer de rester fondu plus longtemps et augmente la fluidité. L’ajout de 1 % peut doubler la distance sur laquelle le fer en fusion s’écoulera ( Rostoker & Bronson 1990 , p. 22). L’effet maximal, environ 500 °C, est atteint à une concentration de 10,2 % ( Rostocker & Bronson 1990 , p. 194) . Pour les travaux de fonderie Turner ( Turner 1900 harv error: no target: CITEREFRostockerBronson1990 (help)) estimaient que le fer idéal contenait 0,2 à 0,55 % de phosphore. Les moules remplis de fer résultants avec moins de vides et ont également moins rétréci. Au XIXe siècle, certains producteurs de fonte décorative utilisaient du fer contenant jusqu’à 5 % de phosphore. L’extrême fluidité leur a permis de réaliser des moulages très complexes et délicats. Mais, ils ne pouvaient pas porter de poids, car ils n’avaient aucune force ( Turner 1900 , pp. 202-204).

Il y a deux remèdes ^{[ selon qui ? ]} pour le fer riche en phosphore. La plus ancienne, la plus facile et la moins chère est l’évitement. Si le fer produit par le minerai était froid, on chercherait une nouvelle source de minerai de fer. La deuxième méthode consiste à oxyder le phosphore lors du processus d’affinage en ajoutant de l’oxyde de fer. Cette technique est généralement associée à la formation de flaques d’eau au 19e siècle et n’a peut-être pas été comprise plus tôt. Par exemple Isaac Zane, le propriétaire de Marlboro Iron Works ne semblait pas le savoir en 1772. Vu la réputation de Zane ^{[ selon qui ? ]} pour se tenir au courant des derniers développements, la technique était probablement inconnue des maîtres sidérurgistes de Virginie et de Pennsylvanie.

Le phosphore est un contaminant nocif car il rend l’acier cassant, même à des concentrations aussi faibles que 0,6 %. Le phosphore ne peut pas être facilement éliminé par fluxage ou fusion, et donc les minerais de fer doivent généralement être faibles en phosphore pour commencer.

Aluminium

De petites quantités d’ aluminium (Al) sont présentes dans de nombreux minerais, notamment le minerai de fer, le sable et certains calcaires. Le premier peut être éliminé en lavant le minerai avant la fusion. Jusqu’à l’introduction des fours à revêtement de briques, la quantité de contamination par l’aluminium était suffisamment faible pour n’avoir aucun effet sur le fer ou les scories. Cependant, lorsque la brique a commencé à être utilisée pour les foyers et l’intérieur des hauts fourneaux, la quantité de contamination par l’aluminium a considérablement augmenté. Cela était dû à l’érosion du garnissage du four par le laitier liquide.

L’aluminium est difficile à réduire. Par conséquent, la contamination du fer par l’aluminium n’est pas un problème. Cependant, cela augmente la viscosité du laitier ( Kato & Minowa 1969 , p. 37 et Rosenqvist 1983 , p. 311). Cela aura un certain nombre d’effets néfastes sur le fonctionnement du four. Le laitier plus épais ralentira la descente de la charge, prolongeant le processus. Une teneur élevée en aluminium rendra également plus difficile l’extraction du laitier liquide. À l’extrême, cela pourrait conduire à un four gelé. harvnb error: no target: CITEREFKatoMinowa1969 (help)

Il existe un certain nombre de solutions à un laitier à haute teneur en aluminium. Le premier est l’évitement; n’utilisez pas de minerai ou une source de chaux à haute teneur en aluminium. L’augmentation du rapport de flux de chaux diminuera la viscosité ( Rosenqvist 1983 , p. 311).

Soufre

Le soufre (S) est un contaminant fréquent dans le charbon. Il est également présent en petite quantité dans de nombreux minerais, mais peut être éliminé par Calcination . Le soufre se dissout facilement dans le fer liquide et solide aux températures présentes dans la fonte du fer. Les effets de même de petites quantités de soufre sont immédiats et graves. Ils ont été l’un des premiers élaborés par des fabricants de fer. Le soufre rend le fer rouge ou brûlant ( Gordon 1996 , p. 7).

Le fer court chaud est cassant lorsqu’il est chaud. C’était un problème sérieux car la plupart des fers utilisés aux XVIIe et XVIIIe siècles étaient des barres ou du fer forgé. Le fer forgé est façonné par des coups répétés de marteau à chaud. Un morceau de fer court chaud se fissurera s’il est travaillé avec un marteau. Lorsqu’un morceau de fer ou d’acier chaud se fissure, la surface exposée s’oxyde immédiatement. Cette couche d’oxyde empêche la réparation de la fissure par soudage. Les grandes fissures provoquent la rupture du fer ou de l’acier. De plus petites fissures peuvent entraîner la défaillance de l’objet pendant l’utilisation. Le degré de brièveté à chaud est directement proportionnel à la quantité de soufre présent. Aujourd’hui, le fer contenant plus de 0,03% de soufre est évité.

Le fer court chaud peut être travaillé, mais il doit être travaillé à basse température. Travailler à des températures plus basses demande plus d’efforts physiques de la part du forgeron ou du forgeron. Le métal doit être frappé plus souvent et plus fort pour obtenir le même résultat. Une barre légèrement soufrée peut être travaillée, mais cela demande beaucoup plus de temps et d’efforts.

Dans la fonte, le soufre favorise la formation de fonte blanche. Aussi peu que 0,5 % peut contrecarrer les effets d’un refroidissement lent et d’une teneur élevée en silicium ( Rostoker & Bronson 1990 , p. 21). La fonte blanche est plus fragile, mais aussi plus dure. Il est généralement évité, car il est difficile à travailler, sauf en Chine où la fonte à haute teneur en soufre, certaines jusqu’à 0,57%, fabriquée avec du charbon et du coke, était utilisée pour fabriquer des cloches et des carillons ( Rostoker, Bronson & Dvorak 1984 , p .760). Selon Turner (1900 , pp. 200), un bon fer de fonderie devrait contenir moins de 0,15 % de soufre. Dans le reste du monde, une fonte à haute teneur en soufre peut être utilisée pour la fabrication de pièces moulées, mais produira un fer forgé médiocre.

Il existe un certain nombre de remèdes contre la contamination par le soufre. La première, et la plus utilisée dans les opérations historiques et préhistoriques, est l’évitement. Le charbon n’était pas utilisé en Europe (contrairement à la Chine) comme combustible pour la fonte car il contient du soufre et provoque donc du fer court chaud. Si un minerai résultait en métal court chaud, les maîtres de fer cherchaient un autre minerai. Lorsque le charbon minéral a été utilisé pour la première fois dans les hauts fourneaux européens en 1709 (ou peut-être plus tôt), il était cokéfié . Ce n’est qu’avec l’introduction du vent chaud à partir de 1829 que le charbon brut a été utilisé.

Torréfaction du minerai

Le soufre peut être extrait des minerais par torréfaction et lavage. La torréfaction oxyde le soufre pour former du dioxyde de soufre (SO ₂ ) qui s’échappe dans l’atmosphère ou peut être lessivé. Dans les climats chauds, il est possible de laisser le minerai pyriteux sous la pluie. L’action combinée de la pluie, des bactéries et de la chaleur oxyde les sulfures en acide sulfurique et en sulfates , qui sont solubles dans l’eau et lessivés ( Turner 1900 , pp. 77). Cependant, historiquement (au moins), le sulfure de fer ( pyrite de fer FeS₂), bien qu’il s’agisse d’un minéral de fer commun, n’a pas été utilisé comme minerai pour la production de fer métallique. L’altération naturelle a également été utilisée en Suède. Le même processus, à vitesse géologique, aboutit aux minerais de limonite chapeau de fer .

L’importance accordée au fer à faible teneur en soufre est démontrée par les prix toujours plus élevés payés pour le fer en Suède, en Russie et en Espagne du XVIe au XVIIIe siècle. Aujourd’hui, le soufre n’est plus un problème. Le remède moderne est l’ajout de manganèse . Mais, l’opérateur doit connaître la quantité de soufre dans le fer car il faut ajouter au moins cinq fois plus de manganèse pour le neutraliser. Certains fers historiques affichent des niveaux de manganèse, mais la plupart sont bien inférieurs au niveau nécessaire pour neutraliser le soufre ( Rostoker & Bronson 1990 , p. 21).

L’inclusion de sulfure comme le sulfure de manganèse (MnS) peut également être la cause de graves problèmes de corrosion par piqûres dans l’ acier inoxydable de faible qualité tel que l’ acier AISI 304 . ^{[38] [39]} Dans des conditions oxydantes et en présence d’humidité, lorsque le sulfure s’oxyde, il produit des anions thiosulfate comme espèce intermédiaire et parce que l’anion thiosulfate a une électromobilité équivalente plus élevée que l’anion chlorure en raison de sa double charge électrique négative, il favorise la fosse croissance. ^[40] En effet, les charges électriques positives portées par les cations Fe ^{2+ libérés en solution par Fe}l’Oxydation sur la zone anodique à l’intérieur du puits doit être rapidement compensée/neutralisée par les charges négatives apportées par la migration électrocinétique des anions dans le puits capillaire. Certains des processus électrochimiques se produisant dans une fosse capillaire sont les mêmes que ceux rencontrés dans l’électrophorèse capillaire . Plus le taux de migration électrocinétique des anions est élevé, plus le taux de corrosion par piqûres est élevé. Le transport électrocinétique des ions à l’intérieur de la fosse peut être l’étape limitant le taux de croissance de la fosse.

Voir également

• Fer de tourbière
• Minerai de fer en Afrique
• Pierre de fer

Remarques

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Liens externes

Wikimedia Commons a des médias liés aux minerais de fer .

• Histoire du commerce du minerai de fer sur les Grands Lacs Archivé le 2009-07-28 à la Wayback Machine
• “Pionniers du commerce du fer de Cleveland” par JS Jeans 1875
• Prix ​​du minerai de fer et graphique historique
• Mines de fer de NY/NJ
• Capacité de minerai de fer par grand producteur mondial