Cours sur les fontes. Présentation, principales fontes.

Cours sur les fontes. Par sami que je remercie une fois de plus.

1) PRÉSENTATION DES FONTES
2) PRÉPARATION DE LA FONTE BRUTE
3) LES PRINCIPALES FONTES
–3-1) Les fontes grises
–3-2) Les fontes blanches
–3-3) Les fontes hématites et phosphoreuses

1) PRÉSENTATION DES FONTES

Fonte (métallurgie), alliage de fer et de carbone dont la quantité de carbone varie de 2 à 5% en poids. La fonte est préparée dans les hauts-fourneaux sidérurgiques à partir de minerai de fer, de coke et de fondant (calcaire). En raison des impuretés présentes dans le minerai de fer, la fonte brute obtenue a généralement la composition suivante en poids : environ 92 % de fer, 3 à 4 % de carbone, 0,5 à 3 % de silicium, 0,25 à 2 % de manganèse, du phosphore et du soufre à l’état de traces.

2) PRÉPARATION DE LA FONTE BRUTE

Le traitement du minerai de fer était déjà connu au IIIe millénaire av. J.-C. Cependant, les foyers alimentés par du charbon de bois n’atteignaient la température de fusion que lorsqu’un puissant courant d’air activait suffisamment le feu. Les forgerons de l’époque savaient extraire le métal de la gangue obtenue après démolition du four. En Europe, l’industrie du fer est apparue au XIIIe siècle avec l’utilisation de l’énergie hydraulique pour produire de puissants courants d’air. Mais il a fallu attendre le XVe siècle pour voir la naissance des premiers véritables fours qui allaient, au cours des siècles, devenir les hauts-fourneaux.

Les hauts-fourneaux sont des ouvrages imposants qui peuvent atteindre 50 m de haut. Ils servent à extraire du minerai le fer qui y est présent le plus souvent sous la forme d’oxyde ferrique de formule Fe2O3. Ce dernier est réduit en fer métallique, à haute température, par le monoxyde de carbone (CO) dégagé lors de la combustion du coke et du fondant (calcaire), selon la réaction chimique :

Fe2O3 + 3CO → 3CO2 + 2Fe

Le minerai, le fondant (calcaire), et le coke, sont introduits par l’ouverture appelée gueulard. Ils descendent peu à peu par couches et entrent en contact avec de l’air chauffé à 1 000 °C. Des réactions chimiques complexes ont lieu, et dans le creuset le mélange liquide atteint la température de 1 800 °C. La fonte et le laitier (sous-produits surnageant) se séparent en raison de leur différence de densité et ils s’échappent par deux trous de coulée différents. La teneur en manganèse et en silicium du minerai, le pourcentage de coke, et surtout la vitesse de refroidissement, aboutissent à la production de fontes eutectiques (point de fusion constant) dont l’aspect et les propriétés physiques sont différents pour une même teneur en carbone.

3) LES PRINCIPALES FONTES

L’origine du minerai de fer, le choix du fondant, des proportions de fondant et de coke, ainsi que la vitesse de refroidissement déterminent la composition désirée de la fonte. De plus, selon leur teneur en carbone et la structure des cristaux, les fontes ont des propriétés mécaniques diverses. Elles sont généralement faciles à couler dans des moules, mais très dures et cassantes (teneur en carbone élevée), elles se prêtent mal à l’usinage. Des fours spéciaux permettent d’abaisser la teneur en carbone à moins de 2 %. On obtient alors de l’acier dont les qualités correspondent mieux aux besoins des industriels.

3-1) Les fontes grises
Les fontes grises présentent un aspect gris à la cassure en raison de la présence du carbone principalement sous forme de graphite. Leur fabrication nécessite des minerais à forte teneur en silicium (1,5 à 3%) et une proportion de coke élevée. Elles ont une température de fusion inférieure à celle de l’acier (1 200 °C pour les fontes grises contre 1 370 °C pour l’acier), ce qui permet de les mouler facilement. Très peu malléables et ductiles, elles peuvent cependant être usinées.

3-2) Les fontes blanches
Les fontes blanches présentent un aspect blanc à la cassure. Le carbone qu’elles contiennent est combiné au fer sous forme de carbure (cémentite). Contrairement aux fontes grises, elles sont obtenues à partir de minerais de fer pauvres en silicium mais riche en manganèse. Les fontes blanches sont très dures et cassantes et se prêtent mal au moulage. Elles servent surtout de matière première pour la fabrication de l’acier par décarburation dans des fours spéciaux. Des traitements thermiques de la fonte blanche (chauffage et refroidissement lent) permettent de décomposer le carbure de fer en nodules fins de graphite, ce qui rend la fonte blanche plus apte au façonnage.

3-3) Les fontes hématites et phosphoreuses
On trouve aussi à la sortie des hauts-fourneaux les fontes hématites, dont la teneur en soufre et en phosphore est très faible. Elles sont fabriquées à partir de minerai très pur : l’hématite.
Les fontes phosphoreuses, comme les fontes Cleveland contenant de 1,4 à 2 % de phosphore ou les fontes Thomas (1,6 à 2 % de phosphore), sont, au contraire, obtenues à partir de minerais phosphoreux. Elles sont utilisées pour la fabrication de l’acier.