I. Qu'est-ce que le fer et l'acier

Le fer et l'acier sont des alliages composés de fer (Fe), de carbone (C), de silicium (Si), de manganèse (Mn), de phosphore (P), de soufre (S) et de petites quantités d'autres éléments. Parmi ceux-ci, à l'exception du fer (Fe), la teneur en carbone joue un rôle majeur dans la détermination des propriétés mécaniques du fer et de l'acier, ils sont donc collectivement appelés alliages fer-carbone. Ce sont les matériaux métalliques les plus importants et les plus largement utilisés dans la technologie de l'ingénierie.

2. Signification de l'acier

L'acier est un alliage fer-carbone avec une teneur en carbone allant de 0,03 % à 2 %. L'acier au carbone est l'acier ordinaire le plus couramment utilisé, se caractérisant par une fusion et un traitement faciles. Selon la différence de teneur en carbone, l'acier au carbone est divisé en acier à faible teneur en carbone, acier à teneur moyenne en carbone et acier à haute teneur en carbone. L'acier allié, également appelé acier spécial, est fabriqué en ajoutant un ou plusieurs éléments d'alliage à l'acier au carbone pour modifier la microstructure et les propriétés de l'acier. Les éléments d'alliage couramment ajoutés à l'acier comprennent Si, Mn, Cr, Ni, Mo, V, Ti, etc.

3. Signification de la fonte

Les alliages fer-carbone avec une teneur en carbone comprise entre 2 % et 4,3 % sont appelés fonte brute. La fonte brute est dure et cassante, et possède une bonne résistance à la pression et à l'usure. Elle se divise en fonte blanche, fonte grise et fonte ductile. La fonte blanche a une apparence argentée-blanche, est dure et cassante, et ne peut pas être usinée ; c'est une matière première pour la fabrication de l'acier, elle est donc également appelée fonte brute pour la fabrication de l'acier. La fonte grise a une fracture argentée-grise, est facile à couper et à couler, et possède une bonne résistance à l'usure. La fonte ductile a des propriétés proches de celles de l'acier. Une fonte spéciale peut être obtenue en ajoutant des éléments d'alliage spéciaux à la fonte.

II. Processus de production de fer et d'acier

Le processus moderne de fusion du fer et de l'acier implique la fusion du minerai de fer en fonte dans un haut fourneau, le versement du fer en fusion dans un convertisseur ou un four électrique pour le fondre en acier, puis le coulage de l'acier en fusion en billettes de coulée continue ou en lingots d'acier, et leur transformation en produits en acier à diverses fins par des méthodes de déformation plastique telles que le laminage.

2. Usines intégrées de fer et d'acier

Un complexe sidérurgique intégré comprend généralement des étapes de production telles que le traitement des matières premières, la fabrication de la fonte, la fabrication de l'acier, le laminage de l'acier, l'approvisionnement en énergie et le transport. C'est un système de production complexe et à grande échelle. La plupart des entreprises sidérurgiques en Chine sont de telles entreprises intégrées à processus complet.

III. Matières premières et processus de fabrication du fer

Les principales matières premières pour la fusion dans un haut fourneau comprennent le minerai de fer (minerai naturel riche et minerai artificiel riche), le combustible (coke et combustible injecté) et le flux (calcaire et dolomie). Pour fondre une tonne de fonte, environ 1,60 à 1,65 tonne de minerai de fer avec un grade de 63 %, 0,3 à 0,6 tonne de coke et 0,2 à 0,4 tonne de flux sont nécessaires.

2. Processus de fabrication du fer

La fabrication de fer dans un haut fourneau est une méthode traditionnelle de production de fer basée sur le coke comme source d'énergie. En coopération avec la fabrication de fer par convertisseur, c'est actuellement la principale méthode de production de fer. On s'attend à ce que la position dominante de la fabrication de fer dans un haut fourneau ne change pas pendant une période assez longue. L'essence de la fabrication de fer dans un haut fourneau est un processus de réduction du fer, dans lequel le coke agit comme combustible et agent réducteur pour réduire le fer à partir du minerai de fer ou des matières premières contenant du fer de l'état oxydé ou minéral à du fer liquide à haute température.

3. Processus de fabrication du fer

Lors du processus de fusion, la charge du four (minerai, fondant, coke) est chargée par lots dans le four par le haut à travers un équipement de chargement dans une proportion déterminée. L'air chaud à haute température soufflé par les tuyères inférieures réagit avec le coke pour générer un gaz réducteur à haute température, qui monte et chauffe, réduit, fond et forme un laitier à partir de la charge du four, déclenchant une série de changements physiques et chimiques. Enfin, le laitier liquide et le fer s'accumulent dans le foyer et sont périodiquement déchargés du haut fourneau. Pendant le processus de montée, la température du flux de gaz diminue continuellement et sa composition change progressivement, et finalement, le gaz de haut fourneau se forme et est évacué par le haut du four.

IV. Matières premières et processus de fabrication de l'acier

Décarbonisation → déphosphoration → désulfuration → désoxydation → dénitrification, déshydrogénation, etc. → élimination des inclusions non métalliques → alliage → élévation de la température → solidification et formation.

2. Principe de fabrication de l'acier et matières premières

Le processus de fabrication de l'acier est un processus d'oxydation. La méthode principale pour éliminer les impuretés consiste à souffler de l'oxygène dans le bain fondu et à ajouter des agents formant un laitier pour former un laitier fondu à éliminer. La réaction de désaturation est le principal moyen du processus de fabrication de l'acier, et des éléments tels que le silicium, le manganèse, le phosphore et le soufre sont également éliminés par des réactions d'oxydation. Les matières premières pour la fabrication de l'acier comprennent la fonte, l'acier de récupération, le flux (calcaire), les désoxydants (ferrosilicium, ferromanganèse, aluminium, etc.) et les matériaux d'alliage.

3. Processus de fabrication de l'acier

Prétraitement du métal chaud → fabrication d'acier dans un convertisseur ou un four à arc électrique → affinage secondaire (affinage en poche) → coulée continue.

V. Processus de fabrication de l'acier (Liens clés)

La coulée continue de l'acier est un processus qui coule en continu de l'acier en fusion en billettes d'acier à travers un couloir de coulée continue. Par rapport à la coulée en lingots, la coulée continue présente les avantages suivants : processus simplifié et économies d'énergie ; taux de coupe de tête de billettes réduit, avec un rendement métallique de 7 à 12 % supérieur à celui de la coulée en lingots ; solidification efficace ; et formation optimisée.

Le processus de coulée continue est le suivant : L'acier en fusion est injecté dans le moule à travers une poche et refroidi rapidement pour former une coque solidifiée d'une certaine épaisseur, tandis que l'intérieur reste liquide (billet semi-solide). La partie inférieure du billet est connectée à une barre factice s'étendant dans le fond du moule. Après le début de la coulée, la machine de retrait du billet tire le billet dans le moule à une certaine vitesse à travers la barre factice. Lorsque le billet passe par la zone de refroidissement secondaire de la coulée continue, il est refroidi davantage par pulvérisation d'eau jusqu'à ce qu'il soit complètement solidifié. Après solidification complète, le billet est redressé par un redresseur, découpé en longueurs spécifiées et transporté à l'extérieur par un convoyeur.

2. Laminage de l'acier

Le processus de laminage est un processus dans lequel le frottement entre la pièce laminée et les rouleaux tire la pièce laminée dans l'espace entre les rouleaux tournant dans des directions différentes, provoquant ainsi une déformation plastique. Un processus général de laminage de l'acier peut être divisé en : four de chauffage, laminage grossier, laminage intermédiaire, laminage de finition et finition.

VI. Propriétés mécaniques du fer et de l'acier (Indicateurs clés)

Le fer et l'acier ont de bonnes propriétés physiques, mécaniques et technologiques, avec six indicateurs clés comme suit :

Lorsque un matériau en acier ou un échantillon est étiré, si la contrainte dépasse la limite élastique, le matériau en acier ou l'échantillon continuera à subir une déformation plastique évidente même si la contrainte n'augmente plus. Ce phénomène est appelé fluage, et la valeur de contrainte minimale à laquelle le fluage se produit est le point de rendement.

2. Résistance à la traction

Le point de rendement de certains matériaux métalliques n'est pas évident, rendant la mesure difficile. Par conséquent, pour mesurer les caractéristiques de rendement des matériaux, le stress qui provoque une déformation plastique résiduelle permanente atteignant une certaine valeur (généralement 0,2 % de la longueur originale) est défini comme la résistance à la traction conditionnelle, ou simplement la résistance à la traction.

3. Résistance à la traction

La valeur de contrainte maximale atteinte depuis le début de l'étirement jusqu'à la fracture du matériau. Elle représente la capacité de l'acier à résister à la fracture. Correspondant à la résistance à la traction, il existe également la résistance à la compression, la résistance à la flexion, etc.

4. Allongement

Le pourcentage de la longueur d'élongation en plastique de l'acier après rupture par rapport à la longueur originale de l'échantillon est appelé élongation ou pourcentage d'élongation.

5. Taux de rendement

Le rapport entre le point de rendement (résistance à la traction) de l'acier et sa résistance à la traction est appelé le rapport de rendement. Plus le rapport de rendement est élevé, plus la fiabilité des pièces structurelles est élevée. En général, le rapport de rendement de l'acier au carbone est de 0,6 à 0,65, celui de l'acier structural à faible alliage est de 0,65 à 0,75, et celui de l'acier structural allié est de 0,84 à 0,86.

6. Dureté

La dureté fait référence à la capacité d'un matériau à résister à l'indentation d'un objet dur sur sa surface. C'est l'un des indicateurs de performance importants des matériaux métalliques. En général, plus la dureté est élevée, meilleure est la résistance à l'usure. Les indicateurs de dureté courants incluent la dureté Brinell, la dureté Rockwell et la dureté Vickers.

VII. Facteurs affectant les propriétés du fer et de l'acier

Influence de la composition chimique sur les propriétés du fer et de l'acier

Le carbone est l'élément le plus important après le fer. À mesure que la teneur en carbone augmente, la résistance de l'acier augmente, tandis que la plasticité et la ténacité (en particulier la ténacité à l'impact à basse température) diminuent. En même temps, la soudabilité, la résistance à la corrosion et la performance de pliage à froid sont considérablement réduites. Par conséquent, la teneur en carbone de l'acier de construction n'est généralement pas supérieure à 0,22 %, et celle des structures soudées doit être inférieure à 0,2 %.

2. Manganèse

Le manganèse est un faible désoxydant. Un contenu approprié en manganèse peut améliorer efficacement la résistance de l'acier et éliminer l'effet de fragilité à chaud du soufre et de l'oxygène sur l'acier sans réduire significativement la plasticité et la ténacité de l'acier. La teneur en manganèse dans l'acier de construction au carbone est de 0,3 % à 0,8 %, et celle dans l'acier faiblement allié est généralement de 1,0 % à 1,7 %.

3. Silicium

Le silicium est un puissant désoxydant. Un contenu approprié en silicium peut améliorer la résistance de l'acier sans effets néfastes évidents sur la plasticité, la ténacité, la performance de pliage à froid et la soudabilité. Cependant, lorsque la teneur en silicium est trop élevée, elle réduit la plasticité, la ténacité, la résistance à la corrosion et la soudabilité de l'acier.

4. Vanadium, Niobium, Titane

Le vanadium, le niobium et le titane peuvent tous affiner la taille des grains de l'acier. Les aciers à faible teneur en alliage en Chine contiennent tous ces trois éléments. En tant qu'éléments d'alliage autres que le manganèse, ils peuvent non seulement améliorer la résistance de l'acier, mais aussi maintenir une bonne plasticité et ténacité.

5. Oxygène, Azote

L'oxygène et l'azote sont également des impuretés nuisibles, qui peuvent pénétrer dans le métal depuis l'air lorsque le métal est à l'état fondu. L'oxygène peut provoquer une fragilité à chaud de l'acier, et son effet est plus intense que celui du soufre ; l'azote peut provoquer une fragilité à froid de l'acier, similaire à celle du phosphore.

VIII. Classification des fer et acier

Acier ordinaire (P ≤ 0,045 %, S ≤ 0,05 %)

Acier de haute qualité (P et S ≤ 0,035 %)

Acier de haute qualité (P ≤ 0,035 %, S ≤ 0,03 %)

2. Classification par composition chimique

Acier au carbone

Acier à faible teneur en carbone (C ≤ 0,25 %)

Acier à carbone moyen (C : 0,25 % - 0,6 %)

Acier à haute teneur en carbone (C > 0,6 %)

Acier allié

Acier à faible alliage (teneur totale en éléments d'alliage ≤ 5%)

Acier à alliage moyen (teneur totale en éléments d'alliage : 5 % - 10 %)

Acier à haute teneur en alliage (teneur totale en éléments d'alliage > 10%)