Fiche explicative de la leçon: Extraction du fer Chimie • Troisième année secondaire

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire l’extraction du fer de son minerai, dans un haut-fourneau.

L’extraction du fer est sans doute l’un des processus industriels les plus importants au monde. Le fer est utilisé pour fabriquer de l’acier, ce qui est extrêmement important pour la construction de véhicules de transport et de grands bâtiments. La société moderne ne pourrait pas fonctionner comme il se doit si nous ne pouvions pas extraire le fer métallique des minerais de fer.

La plupart des aciéries ont au moins un haut-fourneau qui peut produire du fer en fusion à partir de minerais non affinés contenant du fer, tels que de l’hématite. Le fer en fusion est produit dans ces usines, étant ensuite transformé en alliages d’acier par le procédé basique de fabrication d’acier à l’oxygène. L’image suivante montre comment une usine sidérurgique peut fabriquer un alliage d’acier à partir de matières premières telles que des minerais de fer et de la houille.

Les aciéries sont généralement desservies par d’excellents moyens de transport car elles consomment continuellement de grandes quantités de carburant et de matières premières. Ces usines sont généralement situées près des côtes, des routes et des chemins de fer. Elles sont également plutôt situées loin des espaces urbains, car elles peuvent produire beaucoup de bruit et de pollution.

Les usines sidérurgiques sont des systèmes très complexes composés de nombreux types différents d’équipement lourd et de grands bâtiments. La figure suivante représente certaines des parties les plus importantes de la plupart des usines de fabrication de métaux.

L’image tout à gauche montre le bâtiment qui abrite les fours à coke. Le coke est produit dans les fours à coke et est ensuite utilisé avec le calcaire pour extraire le fer des minerais, dans le haut-fourneau.

Le coke est une forme de carbone presque pur produit à partir de la houille. Il est produit en chauffant de la houille à une température élevée dans un four à coke. Cette roche carbonée est généralement chauffée à une température de - , pouvant parfois être chauffée à des températures allant jusqu’à . Ce processus vaporise ou décompose les substances organiques indésirables dans le charbon et élimine les composés volatils, tels que l’eau. Le résidu (non volatile) de ce processus de décomposition est principalement constitué d’atomes de carbone.

Le fer métallique est généralement extrait d’un minerai d’hématite, qui contient un oxyde de fer(III) (). Le minerai doit être traité avant de pouvoir être placé dans un haut-fourneau, car les hauts-fourneaux sont généralement optimisés pour brûler de petits morceaux de minerai compactés ensemble. L’hématite est traitée par des procédés de traitement des minéraux ou de minéralurgie.

La première étape est habituellement le concassage, où de gros morceaux de minerai sont réduits à une taille plus petite. L’illustration suivante montre comment un concasseur à mâchoire peut être utilisé pour réduire de grosses roches en petites pierres.

Différents procédés sont ensuite utilisés pour produire une forme plus fortement concentrée de fer métallique à partir de petits morceaux de minerai de fer. La concentration de fer métallique augmente habituellement lorsque les impuretés sont éliminées par diverses techniques de séparation magnétique et électrique.

Les impuretés chimiques sont éliminées lors du traitement du minerai par un procédé appelé grillage. Le grillage est le procédé par lequel des minerais contenant des métaux sont chauffés à une température élevée dans une pièce ou un four aérés. Ce processus peut éliminer des molécules d’eau d’un complexe d’oxyde hydraté et peut transformer des produits chimiques indésirables en produits chimiques plus désirables. L’équation suivante montre comment le processus de grillage peut transformer un carbonate de fer indésirable () en un oxyde de fer(II) plus utile () : 

L’équation chimique suivante montre comment le processus de grillage peut transformer des molécules d’oxyde de fer utiles en des composés d’oxyde de fer(III) encore plus intéressantes : 

L’équation chimique suivante montre comment le processus de grillage peut également être utilisé pour extraire des molécules d’eau d’un complexe d’oxydes de fer(III) hydraté : 

D’autres impuretés, telles que le soufre et le phosphore, sont oxydées lors du grillage. L’équation suivante montre comment le soufre peut être oxydé en dioxyde de soufre pendant le grillage : 

L’équation suivante montre comment le phosphore peut être oxydé en un composé de type pentoxyde de phosphore lors du grillage : 

Une fois que les impuretés sont éliminées du minerai, le minerai de fer traité est mélangé avec du calcaire et du coke dans des lits de frittage. Ces lits de frittage sont utilisés pour compacter le minerai de fer, le calcaire et le coke en une masse solide. Les matériaux en vrac sont généralement compactés en un solide lorsqu’ils sont chauffés par des brûleurs.

Le processus de frittage permet de mélanger uniformément le minerai de fer, le calcaire et le coke. Cela garantit également que les matériaux de frittage sont de taille et de structure appropriées pour le haut-fourneau. Les lits de frittage ont une grande surface et le processus de frittage se produit plutôt rapidement. Les images suivantes montrent comment les lits de frittage peuvent être utilisés pour modifier les propriétés du mélange de frittage des roches et des poudres.

Le mélange de minerai de fer, de coke et de calcaire est appelé la charge. Cette charge se déplace sur les bandes transporteuses vers le haut du haut-fourneau. L’illustration suivante montre comment les bandes transporteuses sont utilisées pour transporter le mélange de charge jusqu’au sommet du haut-fourneau. Ces bandes transporteuses fonctionnent toute la journée et toute la nuit, transportant constamment la charge vers le haut-fourneau.

Les hauts-fourneaux sont des tours en acier garnies de briques résistantes à la chaleur. Ces fours sont des structures incroyablement hautes qui peuvent atteindre jusqu’à 60 m de haut. La charge entre dans le haut-fourneau au niveau du sommet de la tour, alors que de l’air chaud est soufflé dans le four par le bas.

De multiples réactions chimiques ont lieu simultanément à l’intérieur du haut-fourneau. Nous examinerons ces réactions dans un ordre chronologique judicieux afin de mieux comprendre les processus d’extraction du fer. Les réactions seront discutées une à une, et nous apprendrons comment les réactifs chargés sont transformés en fer fondu et en un sous-produit appelé laitier.

Le coke est d’abord brûlé avec de l’air chaud (dioxygène) pour produire du dioxyde de carbone et de l’énergie thermique. Cette réaction de combustion est hautement exothermique et libère beaucoup d’énergie thermique. Cette réaction augmente la température du four dans la partie inférieure, où de l’air (dioxygène) est soufflé de l’extérieur. L’équation suivante représente cette réaction : 

Cependant, dans ce cas, les molécules de dioxyde de carbone réagissent avec du coke et produisent le monoxyde de carbone : 

Les techniques d’extraction des métaux sont déterminées par la réactivité du métal lui-même. Par exemple, des métaux hautement réactifs, tels que l’aluminium, doivent être extraits de leurs minerais par électrolyse. Pour les métaux dont la réactivité est inférieure à celle du carbone, il est possible de les extraire par réduction. C’est la méthode préférée car le carbone sous forme de charbon est une ressource relativement abondante.

Le monoxyde de carbone gazeux agit comme un réducteur lors de son passage dans le haut-fourneau. Les molécules de monoxyde de carbone réduisent les molécules d’oxyde de fer se trouvant principalement dans les parties moyenne et haute du haut-fourneau. La réaction chimique correspondante est la suivante : 

Le fer en fusion s’écoule ensuite à l’intérieur du haut-fourneau et s’accumule dans la partie inférieure de la tour.

À ce stade du processus, il reste encore une impureté importante à éliminer du minerai de fer. Cette impureté est le sable, qui peut être considéré comme du dioxyde de silicium ().

Le dioxyde de silicium peut être extrait du haut-fourneau car le mélange de charge contient du calcaire. Le calcaire est principalement composé de carbonate de calcium (), qui, à des températures élevées, se décompose en oxyde de calcium () et des molécules de dioxyde de carbone. Les températures atteintes dans le haut-fourneau sont suffisamment élevées pour décomposer thermiquement le calcaire, selon l’équation chimique

Les molécules d’oxyde de calcium réagissent avec les impuretés sableuses, et cette réaction produit un sous-produit, le laitier. Le laitier est principalement composé de molécules de silicate de calcium (). L’équation suivante représente ce processus : 

Le laitier coule à l’intérieur de la tour du haut-fourneau et forment une couche sur la surface du fer en fusion. Une partie du dioxyde de carbone provenant de la décomposition du calcaire et de la réduction du minerai de fer est réduite par le coke pour former des molécules de monoxyde de carbone. Cependant, la plupart du dioxyde de carbone et du diazote gazeux quittent le haut-fourneau par le haut de la tour sous forme d’effluents gazeux.

Ces réactions chimiques, ainsi qu’un exemple de structure d’un haut-fourneau, sont montrés dans l’illustration suivante. Cette image est une illustration très simplifiée d’un type de haut-fourneau parmi d’autre. Il est important de réaliser que d’autres hauts-fourneaux peuvent fonctionner à des températures légèrement différentes.

Chaque haut-fourneau est vidangé 10 à 20 fois par jour pour retirer le fer en fusion et le laitier de sa base. Bien que ce laitier ne soit pas un produit utile dans cette réaction, il n’est pas éliminé car il est utilisé comme agrégat pour le ciment et pour la construction de routes.

Le fer qui sort tout droit du haut-fourneau est appelé fonte brute et il est plutôt cassant car il contient de carbone et d’autres types d’impuretés. Une partie de la fonte brute est placée dans des moules pour fabriquer ce qu’on appelle la fonte. La fonte est principalement utilisée pour fabriquer des casseroles, des plaques d’égout, des blocs moteurs et des clôtures. Le reste de la fonte brute est habituellement transformé en acier car l’acier est plus dur et généralement plus utile que le fer.