La Fabrication de l’Acier

1. Introduction : L'Acier et son Importance

1.1 Qu'est-ce que l'Acier ?

L'acier est un alliage métallique constitué principalement de fer (Fe) et d'une faible quantité de carbone (C), typiquement entre 0,02% et 2% en masse. C'est la teneur en carbone qui distingue principalement l'acier de la fonte (qui contient plus de 2% de carbone) et du fer pur (très faible teneur en carbone).

Le carbone confère à l'acier sa dureté et sa résistance, mais une teneur trop élevée le rend fragile (comme la fonte). D'autres éléments d'alliage (manganèse, silicium, chrome, nickel, molybdène, vanadium...) peuvent être ajoutés intentionnellement pour modifier et améliorer ses propriétés (résistance mécanique, résistance à la corrosion, soudabilité, trempabilité, etc.), donnant naissance à une vaste gamme d'aciers aux caractéristiques spécifiques.

1.2 Bref Historique et Importance Industrielle

Si le fer est utilisé depuis l'Antiquité, la production massive d'acier de qualité constante est une conquête de la Révolution Industrielle, notamment avec l'invention du procédé Bessemer (1856), puis des procédés Martin-Siemens et Thomas. Le développement des convertisseurs à oxygène et des fours à arc électrique au 20ème siècle a encore amélioré l'efficacité et la qualité.

Aujourd'hui, l'acier est le matériau métallique le plus produit et le plus utilisé au monde (plus de 1,9 milliard de tonnes en 2021). Son importance économique est considérable, et il est au cœur de nombreuses industries : construction (bâtiments, ponts), automobile, ferroviaire, naval, énergie (pipelines, éoliennes), machines, outils, emballage, électroménager... Sa recyclabilité quasi infinie est également un atout majeur.

2. Matières Premières Essentielles

La fabrication de l'acier nécessite plusieurs matières premières clés.

2.1 Minerai de Fer

C'est la source principale de fer. Les minerais sont des roches contenant des oxydes de fer, principalement l'hématite (Fe₂O₃) et la magnétite (Fe₃O₄). Ils sont extraits de mines (à ciel ouvert ou souterraines) puis subissent des traitements de préparation : concassage, broyage, et souvent enrichissement (séparation magnétique, flottation) pour augmenter la teneur en fer et éliminer une partie de la gangue (roche stérile). Le minerai peut être aggloméré sous forme de boulettes ou de sintérisé pour être utilisé au haut fourneau.

2.2 Combustible et Réducteur (Charbon, Coke)

Dans la filière classique (haut fourneau), le carbone joue un double rôle :

• Combustible : Sa combustion avec de l'air (ou de l'oxygène) fournit la chaleur nécessaire pour atteindre les hautes températures requises (> 1500°C).
• Réducteur : Il réagit avec les oxydes de fer pour les réduire en fer métallique. C'est principalement le monoxyde de carbone (CO), issu de la combustion incomplète du carbone, qui assure cette réduction.

Le charbon à coke (houille) est transformé en coke par pyrolyse (chauffage en l'absence d'air) dans une cokerie. Le coke est plus résistant mécaniquement et plus poreux, ce qui est nécessaire pour son rôle dans le haut fourneau (support de la charge, perméabilité aux gaz). Du charbon pulvérisé peut aussi être injecté directement dans le haut fourneau.

2.3 Fondants (Calcaire, Dolomie)

Le calcaire (CaCO₃) et parfois la dolomie (CaCO₃·MgCO₃) sont ajoutés comme fondants. À haute température, ils se décomposent en chaux (CaO) et magnésie (MgO). Ces oxydes basiques réagissent avec les impuretés acides de la gangue du minerai et des cendres du coke (silice SiO₂, alumine Al₂O₃) pour former un liquide appelé laitier (ou scorie). Le laitier, moins dense que le métal liquide, flotte à sa surface et permet d'éliminer ces impuretés. Il protège aussi le métal de la réoxydation.

2.4 Ferrailles (Recyclage)

L'acier est entièrement recyclable. Les ferrailles (chutes de production, produits en fin de vie comme les voitures, l'électroménager, les structures démolies) constituent une matière première majeure, en particulier pour la filière électrique. Elles sont collectées, triées, cisaillées ou broyées avant d'être enfournées. Le recyclage permet d'économiser les ressources naturelles et l'énergie.

2.5 Additions et Éléments d'Alliage

Divers éléments sont ajoutés à différentes étapes pour contrôler le processus ou obtenir les propriétés finales désirées : oxygène (pour l'affinage), chaux, spath fluor (pour la fluidité du laitier), et surtout les ferro-alliages (alliages de fer avec du manganèse, silicium, chrome, nickel, etc.) ou les métaux purs ajoutés lors de la métallurgie secondaire pour obtenir la composition chimique visée de l'acier.

3. Sidérurgie Primaire : Production de Métal Chaud

L'objectif de cette première étape est de réduire les oxydes de fer pour obtenir du fer métallique liquide, encore impur (riche en carbone) : la fonte liquide (filière fonte) ou l'acier brut liquide (filière électrique).

3.1 La Filière Fonte (Haut Fourneau)

C'est la voie principale de production de fer à partir de minerai. Le haut fourneau est une immense tour (~30-40 m de haut) fonctionnant en continu.

• Chargement : Le minerai préparé (aggloméré ou boulettes), le coke et les fondants sont chargés par le haut (le gueulard).
• Combustion et Réduction : De l'air chaud (parfois enrichi en oxygène et/ou avec injection de charbon pulvérisé) est soufflé par le bas (les tuyères). Le coke brûle, produisant de la chaleur et du monoxyde de carbone (CO). En remontant, le CO réduit les oxydes de fer en fer métallique (\(\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{CO} \rightarrow 2\text{Fe} + 3\text{CO}_2\)). D'autres réactions complexes ont lieu à différentes températures.
• Fusion et Séparation : Vers le bas du fourneau (creuset), la température atteint plus de 1500°C. Le fer fond et se charge en carbone (environ 4%) par contact avec le coke, formant la fonte liquide. Les fondants réagissent avec la gangue pour former le laitier liquide.
• Coulée : La fonte et le laitier, non miscibles et de densités différentes, sont coulés séparément par des trous de coulée situés à la base du creuset. La fonte est dirigée vers l'aciérie, le laitier est valorisé (cimenterie, granulats routiers).

Schéma simplifié d'un haut fourneau.

3.2 La Filière Électrique (Four à Arc Électrique)

Cette filière utilise principalement des ferrailles recyclées comme matière première. Le four à arc électrique (EAF - Electric Arc Furnace) est une cuve réfractaire munie d'électrodes en graphite.

• Chargement : Les ferrailles (et éventuellement de la fonte solide ou du minerai préréduit) sont chargées dans le four.
• Fusion : Un arc électrique de très haute intensité et température (~3000-4000°C) est créé entre les électrodes et la charge métallique, provoquant sa fusion rapide. Des brûleurs oxygaz peuvent accélérer la fusion.
• Affinage partiel : De l'oxygène est souvent injecté pour brûler une partie du carbone et d'autres impuretés, et de la chaux est ajoutée pour former un laitier.
• Coulée : L'acier liquide brut est coulé dans une poche de coulée pour être transféré vers la métallurgie secondaire.

La filière électrique est plus flexible, moins capitalistique et plus respectueuse de l'environnement (moins d'émissions de CO₂, utilisation de recyclés) que la filière fonte, mais elle est très consommatrice d'électricité. Elle est souvent utilisée pour produire des aciers spéciaux ou des produits longs (poutrelles, ronds à béton).

Schéma simplifié d'un four à arc électrique.

3.3 Autres Procédés (Réduction Directe)

Il existe aussi des procédés de réduction directe (DRI - Direct Reduced Iron) où le minerai de fer est réduit à l'état solide par un gaz réducteur (souvent du gaz naturel reformé : H₂ + CO) à des températures plus basses (~900-1100°C). Le produit est une éponge de fer solide (ou "minerai préréduit") qui peut ensuite être fondu dans un four à arc électrique. Ces procédés sont moins courants mais se développent, notamment dans les régions riches en gaz naturel ou dans la perspective d'utiliser l'hydrogène "vert" comme réducteur pour décarboner la sidérurgie.

4. Conversion de la Fonte en Acier (Affinage)

La fonte issue du haut fourneau contient environ 4% de carbone et d'autres impuretés (silicium, manganèse, phosphore, soufre). Pour la transformer en acier, il faut abaisser fortement la teneur en carbone et éliminer ces impuretés : c'est l'affinage.

4.1 Convertisseur à Oxygène (BOS / LD)

C'est le procédé dominant pour affiner la fonte liquide. Le convertisseur (type LD, Linz-Donawitz) est une cornue en acier garnie de réfractaire basique, basculante.

• Chargement : On charge d'abord des ferrailles (pour refroidir), puis la fonte liquide chaude issue du haut fourneau.
• Soufflage d'Oxygène : Une lance refroidie à l'eau est descendue dans le convertisseur et souffle de l'oxygène pur à très haute vitesse sur le bain de métal liquide.
• Réactions d'Oxydation : L'oxygène réagit violemment avec le carbone (formant CO et CO₂ gazeux), le silicium, le manganèse et le phosphore, qui passent sous forme d'oxydes dans le laitier (formé par ajout de chaux). Ces réactions sont très exothermiques et auto-entretiennent la température élevée.
• Affinage : Le soufflage dure environ 15-20 minutes, jusqu'à atteindre la teneur en carbone et les niveaux d'impuretés visés pour l'acier.
• Coulée : Le convertisseur est basculé pour couler l'acier liquide dans une poche, en retenant le laitier.

Schéma simplifié d'un convertisseur à oxygène.

4.2 Rôle du Four à Arc Électrique dans l'Affinage

Comme mentionné, le four à arc peut réaliser un affinage partiel en utilisant l'injection d'oxygène et l'ajout de chaux. Cependant, l'affinage principal (décarburation, déphosphoration) est moins efficace qu'au convertisseur. Le four à arc est surtout utilisé pour fondre les ferrailles et ajuster la température.

4.3 Objectifs : Décarburation, Déphosphoration, Désulfuration...

L'affinage vise principalement à :

• Décarburer : Abaisser la teneur en carbone de ~4% (fonte) à moins de 2%, voire moins de 0,2% pour les aciers courants. \( \text{C} + 1/2 \text{O}_2 \rightarrow \text{CO} \) (gaz).
• Déphosphorer : Éliminer le phosphore (P), élément fragilisant. L'oxydation du phosphore (en P₂O₅) est favorisée par une température modérée et un laitier basique (riche en CaO).
• Désulfurer : Éliminer le soufre (S), autre élément fragilisant. La désulfuration est favorisée par une température élevée et un laitier basique et réducteur (difficile à obtenir simultanément à la déphosphoration). Elle se fait souvent en partie au haut fourneau et est complétée en métallurgie secondaire.
• Désoxyder : Éliminer l'excès d'oxygène dissous dans l'acier après le soufflage, par ajout d'éléments désoxydants (Al, Si, Mn) qui forment des oxydes passant dans le laitier.

5. Métallurgie Secondaire (Affinage en Poche)

Après l'affinage primaire (convertisseur ou EAF), l'acier liquide est transféré dans une poche de coulée (grand récipient réfractaire) où il subit des traitements d'affinage complémentaires, appelés métallurgie secondaire ou affinage en poche.

5.1 Objectifs : Ajustement Fin, Dégazage, Propreté

Les objectifs de la métallurgie secondaire sont multiples :

• Ajustement fin de la composition chimique : Ajout précis d'éléments d'alliage (ferro-alliages, métaux purs) pour obtenir la nuance d'acier souhaitée.
• Ajustement de la température : Réchauffage ou refroidissement contrôlé pour atteindre la température optimale de coulée.
• Homogénéisation : Brassage du bain d'acier (par injection de gaz neutre comme l'argon) pour uniformiser la température et la composition.
• Désoxydation poussée : Élimination de l'oxygène dissous résiduel.
• Dégazage : Élimination des gaz dissous indésirables (hydrogène H₂, azote N₂), qui peuvent causer des défauts (soufflures, fragilisation).
• Amélioration de la propreté inclusionnaire : Élimination ou modification de la forme et de la taille des inclusions non métalliques (oxydes, sulfures) pour améliorer les propriétés mécaniques (ductilité, ténacité, usinabilité).

5.2 Principaux Traitements (LF, RH, VOD...)

Plusieurs installations sont utilisées :

• Four Poche (LF - Ladle Furnace) : Permet le réchauffage par arc électrique, l'homogénéisation par brassage à l'argon, l'ajout d'alliages et la formation d'un laitier synthétique pour la désulfuration et la décantation des inclusions.
• Dégazage sous vide (VD - Vacuum Degassing) : La poche est placée dans une enceinte mise sous vide, ce qui favorise l'élimination de l'hydrogène, de l'azote et du monoxyde de carbone.
• Procédé RH (Ruhrstahl-Heraeus) : Circulation de l'acier sous vide dans deux tubulures immergées dans la poche, pour un dégazage et une décarburation très poussés.
• Procédé VOD (Vacuum Oxygen Decarburization) : Dégazage sous vide avec injection d'oxygène pour une décarburation très basse (aciers inoxydables).
• Injection de poudres : Injection de produits (ex: CaSi) dans le bain pour la désulfuration ou la modification de la morphologie des inclusions.

5.3 Ajout d'Éléments d'Alliage

C'est en métallurgie secondaire que sont réalisés les ajouts précis de ferro-alliages (FeMn, FeSi, FeCr...) ou de métaux (Ni, Mo, V...) pour obtenir la composition finale de la nuance d'acier désirée (acier allié, acier inoxydable...).

6. Coulée de l'Acier Liquide

Une fois affiné et à la bonne température, l'acier liquide doit être solidifié sous une forme semi-finie (brames, blooms, billettes) ou en lingots.

6.1 Coulée Continue

C'est aujourd'hui la méthode la plus répandue (>95% de la production mondiale). L'acier liquide de la poche est versé dans un répartiteur (ou panier de coulée), puis s'écoule de manière contrôlée dans une lingotière en cuivre refroidie à l'eau, ouverte à sa base. Une peau d'acier solide se forme au contact de la lingotière. Le produit semi-fini (brame, bloom ou billette), avec un cœur encore liquide, est extrait en continu par le bas, guidé par des rouleaux et refroidi par pulvérisation d'eau jusqu'à solidification complète. Il est ensuite coupé à longueur.

Schéma simplifié de la coulée continue.

• Produits : Brames (section rectangulaire plate, pour tôles), Blooms (section carrée ou rectangulaire > 150mm, pour profilés ou rails), Billettes (section carrée < 150mm, pour fils ou barres).
• Avantages : Très productif, bonne homogénéité, moins de pertes de métal, économie d'énergie (le produit reste chaud pour le laminage).

6.2 Coulée en Lingots

Méthode plus ancienne, encore utilisée pour certains aciers spéciaux ou de très grosses pièces forgées. L'acier liquide est coulé dans des moules métalliques individuels (lingotières) où il se solidifie complètement. Les lingots doivent ensuite être réchauffés et transformés (laminage, forgeage). Moins productive et génère plus de pertes (tête de lingot à couper).

6.3 Solidification et Structures Primaires

Lors de la solidification, l'acier forme une structure cristalline (grains). La vitesse de refroidissement influence la taille et la forme des grains (structure dendritique). Des phénomènes de ségrégation (répartition non homogène des éléments d'alliage et des impuretés) peuvent se produire.

7. Transformation à Chaud et à Froid

Les produits semi-finis issus de la coulée (brames, blooms, billettes) ou les lingots doivent être transformés mécaniquement pour obtenir les formes et dimensions finales des produits commerciaux, et pour affiner leur structure métallurgique.

7.1 Laminage à Chaud

Le produit semi-fini est réchauffé à haute température (ex: 1100-1250°C) puis passé entre des cylindres (laminoir) qui réduisent progressivement son épaisseur et lui donnent sa forme finale.

• Produits longs : Profilés (poutrelles I, H, U...), rails, barres, fil machine (obtenus à partir de blooms ou billettes).
• Produits plats : Tôles fortes, tôles minces en bobines (coils) (obtenus à partir de brames).

Le laminage à chaud permet de grandes déformations, referme les porosités internes et affine la structure de grains (recristallisation).

Principe du laminage à chaud.

7.2 Laminage à Froid

Les bobines de tôle laminées à chaud peuvent subir un laminage ultérieur à température ambiante (après décapage). Cela permet d'obtenir des tôles très minces, avec une meilleure précision dimensionnelle, un meilleur état de surface et des caractéristiques mécaniques accrues (écrouissage). Les tôles laminées à froid sont souvent utilisées pour l'automobile, l'électroménager, l'emballage.

7.3 Autres Procédés

• Forgeage : Déformation plastique du métal par chocs ou pression (presse, marteau-pilon) pour obtenir des pièces de formes complexes ou aux propriétés mécaniques améliorées (pièces pour automobile, aéronautique...).
• Étirage : Réduction de la section d'un produit (barre, fil) en le tirant à travers une filière.
• Extrusion : Poussée du métal à travers une filière pour obtenir des profilés de formes complexes.

8. Traitements Thermiques et de Surface

8.1 Traitements Thermiques

Des cycles contrôlés de chauffage et de refroidissement sont appliqués aux produits finis pour modifier leur microstructure et ajuster finement leurs propriétés mécaniques :

• Recuit : Chauffage suivi d'un refroidissement lent pour adoucir l'acier, améliorer l'usinabilité, homogénéiser la structure.
• Normalisation : Chauffage au-dessus de la température de transformation austénitique suivi d'un refroidissement à l'air pour affiner le grain et améliorer la ténacité.
• Trempe : Chauffage suivi d'un refroidissement très rapide (eau, huile) pour obtenir une structure très dure et résistante (martensite).
• Revenu : Chauffage après trempe à une température modérée pour réduire la fragilité et ajuster la dureté et la résistance.

8.2 Revêtements

Pour améliorer la résistance à la corrosion ou l'aspect, les produits en acier peuvent recevoir divers revêtements (déjà vus dans le contexte de la protection contre la corrosion) :

• Galvanisation (dépôt de zinc)
• Étamage (dépôt d'étain, pour emballage alimentaire)
• Chromage, Nickelage
• Peintures, Laques, Revêtements organiques

9. Types d'Aciers et Applications

La variation de la teneur en carbone et l'ajout d'éléments d'alliage permettent de produire une immense variété d'aciers :

• Aciers au Carbone (non alliés) : Propriétés principalement déterminées par la teneur en carbone (doux, mi-durs, durs). Utilisés pour la construction, les structures courantes, les carrosseries...
• Aciers Alliés : Contiennent d'autres éléments (Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V, W...) pour améliorer des propriétés spécifiques (résistance mécanique, résistance à l'usure, trempabilité, résistance à haute température...).
  • Aciers faiblement alliés (construction mécanique, HLE - Haute Limite Élastique)
  • Aciers fortement alliés (inoxydables, aciers à outils)
• Aciers Inoxydables : Contiennent au moins 10.5% de Chrome, formant une couche passive protectrice. Très résistants à la corrosion. (Ex: cuisine, chimie, médical, architecture).
• Aciers à Outils : Très durs et résistants à l'usure, souvent riches en carbone et en éléments comme W, Mo, V, Co. (Ex: forets, moules, matrices).

10. Aspects Environnementaux et Conclusion

La sidérurgie est une industrie lourde avec des impacts environnementaux significatifs : consommation d'énergie importante (surtout la filière fonte), émissions de gaz à effet de serre (CO₂ issu de la réduction du minerai et de la combustion), émissions de poussières et autres polluants, gestion des coproduits (laitiers, gaz...).

Des efforts considérables sont menés pour réduire cet impact :

• Augmentation du taux de recyclage (la filière électrique est moins émissive).
• Amélioration de l'efficacité énergétique des procédés.
• Captage et valorisation des gaz (ex: gaz de haut fourneau).
• Développement de procédés innovants bas-carbone (réduction directe à l'hydrogène, électrolyse du minerai, captage et stockage du CO₂ - CCS).

En conclusion, la fabrication de l'acier est un processus multi-étapes sophistiqué qui transforme des matières premières naturelles ou recyclées en un matériau aux propriétés exceptionnelles et adaptables. Malgré les défis environnementaux, l'acier reste indispensable à notre société, et l'innovation continue vise à rendre sa production plus durable et efficace.