Les Métaux

Depuis quand sait on travailler les métaux ?

Les premiers métaux connus de l’homme furent l’or, l’argent et le cuivre car ils se trouvaient en tant que tel à l’état naturel. Etant trop mous pour servir d’armes, leur usage restait décoratif (bijoux, ornements). On peut penser que les véritables premières traces de la métallurgie correspondent à l’utilisation du bronze obtenu simplement en chauffant quelques pierres à haute température il y a plus de 5000 ans au moyen orient. On comprend ensuite que les métaux peuvent être fondus, éventuellement mélangés en proportion adéquate, moulés et travaillés pour obtenir des objets de formes variées et plus résistants que les métaux naturels. Pendant plus de deux millénaires, le bronze, alliage de cuivre et d’étain, restera dominant car le fer nécessite d’être fondu à plus haute température et travaillé plus longtemps pour être de bonne qualité. Ce n’est que vers -1200 av J. C. que l’on découvre en Anatolie que le fer chauffé avec du charbon de bois et martelé est plus dur que le bronze. La maîtrise et la diffusion des techniques de métallurgie du fer marquent un tournant dans l’histoire des sociétés par son retentissement dans l’utilisation d’outils agricoles et d’armes plus efficaces. Beaucoup plus tard au 19ème siècle, de nouveaux métaux comme l’aluminium sont isolés grâce à la découverte de l’électrolyse. De nombreux progrès en sidérurgie font également du 19ème siècle « l’âge d’or » des aciers (alliages essentiellement à base de fer et de carbone) et sont au cœur de la révolution industrielle.

Sous quelle forme trouve t’on les métaux ?

Bien que le fer et le nickel se trouvent en abondance dans le noyau terrestre, la plupart des métaux accessibles (c'est-à-dire dans l’écorce terrestre) se présentent sous une forme d’oxyde ou de sulfure dans des minerais et non à l’état pur. La bauxite et l’hématite sont des exemples de minerais riches en oxyde d’aluminium (alumine) et en oxyde ferrique. A l’inverse, l’or est un métal pur à l’état naturel que l’on extrait facilement des roches ou alluvions aurifères. Si l’or est pur et inaltérable à l’air ambiant, c’est parce qu’il n’a aucune affinité avec l’oxygène contrairement à la plupart des métaux qui se corrodent facilement. Avec l’argent et le platine, il est l’un des rares métaux purs (et donc précieux), ce qui lui vaut le qualificatif de métal noble. Tout le monde sait par exemple que le fer rouille à l’air en formant une couche d’oxyde de fer. Les feuilles de cuivre qui recouvrent la statue de la Liberté n’échappent pas eux non plus à la « patine » du temps. Une couche d’hydrocarbonate de cuivre appelée vert-de-gris se forme alors sous l’action du gaz carbonique atmosphérique, ce qui lui donne cette teinte verte caractéristique. De nombreux métaux comme le zinc, l’aluminium ou l’étain sont protégés naturellement par la formation d’une fine couche d’oxyde en surface, appelée couche de passivation. La galvanisation et plus généralement les techniques dites de passivation, consiste en un dépôt de zinc à la surface d’une pièce métallique à protéger. Quant au fer blanc, il doit son nom à la couleur de la couche protectrice d’étain qui le recouvre.

Comment extrait t’on les métaux de leurs minerais ?

La rupture de la liaison forte métal-oxygène, appelée réduction constitue l’étape principale de l’extraction d’un métal. Pour le fer, le cuivre, le plomb ou le zinc, cette étape peut être réalisée par voie chimique sous l’action du monoxyde de carbone dégagé par la combustion de charbon appelé coke dans un haut fourneau. Les métaux obtenus ainsi sont riches en impuretés carbonées et doivent donc être purifiés. Dans le cas du fer, l’étape de réduction donne ce que l’on appelle la fonte et l’élimination des impuretés de celle-ci conduit à des aciers dans lesquels le taux de carbone n’excède pas 1,5%. Pour d’autres oxydes, le passage d’un courant électrique intense est nécessaire pour séparer le métal et l’oxygène. Ainsi l’électrolyse de l’alumine fondue à haute température produit de l’aluminium.

Définition Acier: L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du soudage de l’acier) et de la construction mécanique. L’acier est constitué d’au moins deux éléments, majoritairement le fer puis le carbone dans des proportions comprises entre 0,02 % et 1,67 % en masse. C’est essentiellement la teneur en carbone qui confère à l’alliage les propriétés du métal qu’on appelle « acier ». Il existe d’autres métaux à base de fer qui ne sont pas des aciers comme les fontes et les ferronickels par exemple.

Définition Métal: Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les métaux sont un des trois groupes d'éléments distingués par leurs propriétés d'ionisation et de liaison chimique ; les deux autres sont les métalloïdes et les non-métaux. Bien que les métaux puissent être définis par leurs propriétés physico-chimiques, il est également possible de les catégoriser en employant une caractérisation de leur structure de bande : les métaux possèdent des bandes de valence et de conduction qui se recouvrent. Cette définition permet d'intégrer à la catégorie des métaux les polymères métalliques et autres composés organométalliques. Ce n'est cependant pas un critère toujours suffisant. Par exemple, le carbone n'est pas un métal mais il possède une phase alpha nommée graphite qui correspond à cette définition.

De quoi est constituer de l'acier:Structure métallographique d’un acier grossit 1000 fois Les cristaux de couleur brun, bleu et striés sont du fer presque pur avec moins de 0,02% de carbone L'acier, alliage métallique composé essentiellement de fer et de carbone, est fabriqué en fonction de son utilisation dans le bâtiment:Les matériaux peuvent se classer en 3 grandes familles

De quoi est constiuer du métale: les céramiques, les matières organiques (issues du monde vivant et composées surtout de carbone, comme les matières plastiques) et les métaux.

Comment le fabrique t-on ?

1 - Usines d'Agglomération :

Le minerai de fer est préparé :broyé et calibré en grains qui s'agglomèrent (= s'agglutinent) entre eux. L’aggloméré obtenu est concassé puis chargé dans le haut fourneau avec du coke. Le coke est un combustible puissant, résidu solide de la distillation de la houille (variété de charbon très riche en carbone).

2 - Haut fourneau:

On extrait le fer de son minerai. Minerai et coke solides sont enfournés par le haut. L'air chaud (1200 °C) insufflé à la base provoque la combustion du coke (carbone presque pur). L'oxyde de carbone ainsi formé va "réduire" les oxydes de fer, c'est-à-dire leur prendre leur oxygène et, de ce fait, isoler le fer. La chaleur dégagée par la combustion fait fondre fer et gangue en une masse liquide où la gangue, de densité moindre, flotte sur un mélange à base de fer, appelé "fonte". Les résidus formés par la gangue fondue (laitiers) sont exploités par d'autres industries : construction de routes, cimenterie,...

3 - Cokerie:

Le coke est un combustible obtenu par distillation (gazéification des composants indésirables) de la houille dans le four de la cokerie. Le coke est du carbone presque pur doté d’une structure poreuse et résistante à l’écrasement. En brûlant dans le haut fourneau, le coke apporte la chaleur nécessaire à la fusion du minerai et les gaz nécessaires à sa réduction.

4 - Convertisseur à l'Oxygène:

On y convertit la fonte en acier. La fonte en fusion est versée sur un lit de ferraille. On brûle les éléments indésirables (carbone et résidus) contenus dans la fonte en insufflant de l'oxygène pur. On récupère les résidus (laitier d'aciérie). On obtient de l'acier liquide "sauvage", qui est versé dans une poche. Il est appelé acier sauvage, car, à ce stade, il est encore imparfait.

5 - Filière électrique:

La matière première enfournée peut aller du matériau brut (par exemple des pièces de machine) dûment sélectionné, jusqu’à la ferraille livrée préparée, triée, broyée, calibrée, avec une teneur minimale en fer de 92 %. On fond les ferrailles dans un four électrique. L’ACIER LIQUIDE obtenu est ensuite soumis aux mêmes opérations d’affinage et de mise à nuance que dans la filière fonte. Les ferrailles proviennent des emballages jetés, des bâtiments, machines et véhicules démontés, des chutes de fonte ou d’acier récupérés dans la sidérurgie ou chez ses clients transformateurs. Chaque nuance d’acier nécessite un choix rigoureux de la matière première, en fonction notamment des «pollutions» que peut représenter, pour cette nuance précise, tel métal ou autre minuerai contenu dans les ferrailles. Four électrique : processus Un « panier à ferrailles », chargé à l’aide d’un aimant, achemine la matière première jusqu’au four. La fusion a lieu grâce à des arcs électriques puissants, qui jaillissent entre des électrodes et la charge à fondre. On récupère les résidus (laitier). On obtient de l’acier liquide, qui va être acheminé vers l’installation d’affinage et de mise à nuance.

6 - Station d'Affinage:

Affinage (décarburation) et additions chimiques Les opérations ont lieu dans un récipient sous vide, l'acier étant mis en rotation entre poche et récipient à l'aide d'un gaz neutre (argon). On insuffle de l'oxygène pour activer la décarburation et réchauffer le métal. Ce procédé permet une grande précision dans l'ajustement de la composition chimique de l'acier ("mise à nuance").

7 - Coulée Continue:

Moulage d'ébauches (demi-produits) Ici : moulage d'une brame. L'acier en fusion s'écoule en continu dans un moule sans fond. En traversant ce moule, il commence à se solidifier au contact des parois refroidies à l'eau. Le métal moulé descend, guidé par un jeu de rouleaux, et continue de se refroidir. Arrivé à la sortie, il est solidifié à coeur. Il est immédiatement coupé aux longueurs voulues.

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Florian DP3 2010-2011