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Issue
Matériaux & Techniques
Volume 108, Number 1, 2020
Article Number 103
Number of page(s) 13
Section Métaux et alliages / Metals and alloys
DOI https://doi.org/10.1051/mattech/2020015
Published online 15 May 2020

© SCF, 2020

1 Introduction

Les aciers inoxydables ont été mis au point pour leur résistance à la corrosion et à l’oxydation, conférée principalement par le chrome dont les teneurs dans ces aciers s’échelonnent entre 11 et 28 %. Leur supériorité par rapport à d’autres matériaux traités pour tenue à la corrosion (galvanisation et autres revêtements) tient à leur caractère passivable, qui permet à la couche superficielle dite passive (qui assure la protection contre la corrosion) de se régénérer en cas d’endommagement (Annexe A). C’est cette présence du chrome, en relativement forte teneur, qui allait compliquer sérieusement la production de ces aciers en contraignant les aciéristes à avoir recours à des procédés d’élaboration spécifiques.

Les aciers inoxydables occupent une place singulière dans la production sidérurgique, (i) par leurs propriétés de résistance à divers types de corrosion en milieu aqueux ou à haute température, (ii) par leurs caractéristiques structurales diverses (aciers martensitiques, ferritiques, austénitiques, dont les nuances typiques sont respectivement le 13 % Cr, le 17 % Cr, le 18 % Cr–8 % Ni) permettant d’obtenir une large gamme de propriétés mécaniques, (iii) par les problèmes spécifiques posés par leur élaboration et leur mise en forme et (iv) par leur contenu élevé en éléments d’alliages (Cr, Ni, Mo) qui en font un matériau au prix de revient d’autant plus onéreux que son élaboration et sa mise en forme auront été plus sophistiquées pour satisfaire aux propriétés d’emploi les plus exigeantes.

La place importante prise par les aciers inoxydables, aussi bien dans les développements technologiques de la société industrielle, que dans les équipements courants de la société de consommation, justifiait qu’on remette en perspective les procédés qui ont contribué à leur développement, d’autant que d’anciennes sociétés métallurgiques françaises, aujourd’hui soit disparues, soit fusionnées dans de nouvelles entreprises, jouèrent un rôle de premier plan dans le développement de cette métallurgie. On ne pouvait laisser s’effacer de la mémoire technique collective de tels développements alors que les sites initiaux de production, qui contribuèrent puissamment à l’essor de cette métallurgie, ont souvent été démantelés au profit de nouvelles usines plus modernes mettant en œuvre des procédés plus performants ; on trouvera donc au fil des trois articles les principales contributions de ces sociétés en matière de procédés de fabrication.

L’aptitude du chrome, en tant qu’élément d’alliage, à ralentir la corrosion du fer et accroître sa dureté avait été mise en évidence par Berthier dès 1821 et il proposait un tel alliage pour la coutellerie [1]. Le besoin de conférer aux aciers une résistance à la corrosion et à l’oxydation apparut à la fin du 19e siècle, mais les outils et procédés d’élaboration permettant d’industrialiser de telles fabrications, n’existaient pas. De plus, de nombreux forgerons rejetaient l’idée de tels produits : au début du 20e siècle, selon Monypenny, les couteliers de Sheffield accueillirent l’offre d’un acier inoxydable par des « exclamations qu’il serait peu séant d’imprimer » [1].

La fin du 19e siècle et surtout le début du 20e voient les études métallurgiques se multiplier autour des aciers au chrome. Aux aciéries Holtzer à Unieux (Loire), Brustlein vers 1880 crée les premiers aciers au chrome pour la fabrication de projectiles et Boussingault en 1886 confirme leur résistance à l’oxydation. Guillet (1904) publie une série de mémoires sur les aciers au chrome et au chrome-nickel. En Allemagne, Monnartz (1911), définit la limite critique de 12 % de chrome pour la passivité de ces alliages et montre le rôle du carbone et l’influence favorable du molybdène. En 1914, Strauss et Maurer décrivent la résistance à la rouille et aux acides, d’aciers contenant une forte proportion de chrome et de nickel. Ces aciers seront mis sur le marché vers 1920. En Angleterre, Brearley (1913) signale la bonne résistance à la corrosion d’aciers contenant 9 à 16 % de chrome. Aux États-Unis, Haynes (1915), inventeur des stellites (Co, Cr, W), prend un brevet exploité dès 1919. A Imphy, Chevenard (1917–1918) invente les « aciers » contenant 10 à 15 % de chrome et 20 à 40 % de nickel.

En 1931 et 1934, les Aciéries d’Unieux produisirent, « industriellement », (i) le premier acier austénitique à très bas carbone (C < 0,02 %), (ii) les premiers aciers biphasés austéno-ferritiques et (iii) le premier acier fortement allié au nickel-chrome-molybdène-cuivre résistant dans les acides sulfurique et chlorhydrique. Ils furent tous « redécouverts », ailleurs, plusieurs années après, lorsque les moyens industriels ont permis d’en assurer la production dans de bonnes conditions. Quant aux aciers résistant aux températures élevées, c’est le nom de Chevenard que l’on trouve à l’origine des alliages à durcissement structural qui ont permis l’essor des turbines à vapeur et à gaz [2]. Les centres de recherches d’Ugine et d’Unieux (CAFL puis CREUSOT-LOIRE)1 contribueront fortement, au long de la seconde moitié du 20e siècle, à l’accroissement des connaissances sur la métallurgie structurale des aciers inoxydables, à l’élucidation des mécanismes de corrosion, à l’adaptation des nuances aux applications envisagées et finalement à la diversification du catalogue de nuances disponibles. On notera que des industries clientes, notamment l’industrie chimique et l’industrie pétrolière, par leurs études en matière de corrosion, contribueront significativement à ces développements.

Les aciers inoxydables sont nés et se sont développés à peu près simultanément dans cinq pays : la Grande-Bretagne, l’Allemagne, les USA, la Suède et la France, cinq pays dans lesquels allaient se déployer les conséquences de la révolution industrielle où les aciers inoxydables joueront un rôle incontournable. Cependant, les réalisations industrielles ne se manifesteront réellement qu’à partir des années 1920, pour prendre toute leur ampleur lors de la seconde moitié du 20e siècle, après que toutes les difficultés techniques qui obéraient leur développement eurent été levées.

2 Partie I : Naissance de l’électrométallurgie et production des ferro-chromes, deux technologies indispensables à l’élaboration des aciers inoxydables

2.1 Exigences pour le développement des aciers inoxydables et aboutissements techniques

2.1.1 Les obstacles surmontés

Les difficultés à produire des aciers inoxydables tenaient principalement à quatre obstacles :

  • le caractère réfractaire et difficilement réductible des oxydes de chrome (Cr2O3), qui posait problème pour disposer de ressources importantes en chrome à un coût acceptable ;

  • la nécessité de disposer d’un moyen de fusion/affinage capable d’atteindre de hautes températures (> 1700 °C) où alterneraient phases oxydante et réductrice (ce qu’aucun des moyens traditionnels d’affinage de la sidérurgie du début du 20e siècle, four Martin ou convertisseurs Thomas ou Bessemer, n’était capables de réaliser) ;

  • la nécessité pour bon nombre de nuances inoxydables de les élaborer avec de très faibles teneurs en carbone (%C < 0,030) pour échapper à la corrosion inter-granulaire (Annexe B). Il fallait donc disposer d’un apport de chrome sous forme d’un ferro-alliage bas carbone, que la fusion de la charge soit non carburante ou qu’on sache la décarburer ;

  • la résistance à la déformation à chaud des austénites fortement alliées et la présence d’un trou de ductilité de ces austénites dans la zone des températures de la mise en forme à chaud.

Le premier obstacle, celui constitué par la réfractarité des oxydes de chrome, fut levé avec l’invention, au début du 20e siècle, de l’Electrométallurgie avec les travaux de Héroult (1863–1914) et de Moissan (1852–1907), qui allaient donner à la France une place longtemps prépondérante en matière d’aciers inoxydables, notamment grâce à la Société UGINE avec sa filière globale de production, depuis la réduction du minerai de chrome jusqu’aux produits finis : tôles laminées à froid, barres, fils, tubes (avec la société Vallourec). Cette maîtrise de la production des ferro-alliages à base de chrome (§2.2), d’abord carburés puis à bas carbone, sera le premier déverrouillage décisif pour la production réellement industrielle des aciers inoxydables. Au début des premières productions d’aciers inoxydables bas carbone, on utilisera souvent le chrome d’origine aluminothermique, mais on imagine son coût dissuasif si l’on considère ce qu’était le prix de l’aluminium dans les années 1930 ; le chrome électrolytique sera aussi utilisé autour des années 1950.

Le second obstacle, l’exigence d’une élaboration de haute température faisant se succéder dans le même réacteur une phase oxydante et une phase réductrice (Partie II §2.1) ne sera rendue possible que par l’invention par Héroult du four électrique à arc. La société UGINE, dont UGITECH est l’héritière, et dont le fondateur Paul Girod (1878–1951) mettra en service dès 1909 la première aciérie électrique performante en Europe, poursuivra, par sa branche ferro-alliages, le développement de l’électrométallurgie des alliages de chrome et posera les bases de la large industrialisation des aciers inoxydables. Les autres sociétés sidérurgiques d’aciers spéciaux s’équiperont progressivement de fours électriques à arc de fusion et accéderont ainsi à la production d’aciers inoxydables. Le four électrique à arc de fusion sera donc le second déverrouillage décisif dans la filière de production des aciers inoxydables.

Le troisième obstacle, l’exigence des très basses teneurs en carbone, imposa initialement une fusion non carburante et donc le recours au four à induction, ce qui limitait les charges coulées à quelques tonnes. Il fut définitivement surmonté, après le passage à la fusion au four électrique à arc et la fabrication des FeCr suraffinés bas carbone, par la mise au point simultanément de l’injection d’oxygène en poche sous vide (procédé VOD) et par l’injection par tuyères de mélanges O2/Ar, (cornue AOD) qui permettait de décarburer hors du four de fusion le bain métallique sans trop oxyder le chrome (Partie II §2.1 et 2.2). Ces deux procédés prirent leur essor à la fin des années 1960. Ce sera le troisième déverrouillage décisif de la production des aciers inoxydables permettant à tout aciériste électrique d’accéder à leur production dans des conditions de productivité inconnues jusqu’alors.

Le quatrième obstacle, celui de la transformation à chaud, fut progressivement levé, d’abord par la compréhension des phénomènes métallurgiques à l’origine de la perte de ductilité des austénites alliées, aux températures moyennes (Partie III §3) ; ensuite par la réalisation de coulées à très basses teneurs en soufre (une dizaine de ppm) et par des possibilités de désoxydation très précises, grâce aux procédés d’affinage AOD et VOD qui permirent de mieux contrôler les processus métallurgiques à l’origine de la faible forgeabilité à chaud des nuances austénitiques. Le développement de la coulée continue et le perfectionnement des outils de transformation à chaud assurèrent la maîtrise complète des fabrications en même temps qu’ils ouvraient le champ à la production de masse des aciers inoxydables.

La sidérurgie traditionnelle, notamment celle des produits plats minces, restait pour la filière inoxydable un modèle de productivité d’autant que la filière inoxydable devait avoir recours pour ses produits plats, aux outils de laminage à chaud de l’usine intégrée : le slabbing et le train à bandes. Ce challenge incita des industriels au début des années 1970 à regarder d’assez près une filière dont la phase liquide serait basée sur l’affinage d’une fonte au Cr (Partie II §3). Cette tentation tournera court devant le développement de l’affinage AOD.

2.1.2 Aboutissements techniques et spécialisation des filières actuelles

Les progrès considérables en productivité du four électrique à arc de fusion, les performances métallurgiques du convertisseur AOD, le passage en coulée continue, les disponibilités croissantes en ferrailles inoxydables, ont définitivement conforté la filière fusion électrique, affinage AOD, coulée continue. Toutefois, certaines grandes usines intégrées en produits plats minces non alliées ont conçu, en dérivation sur leur filière principale d’affinage de la fonte de hauts fourneaux, une ligne de production d’aciers inoxydables avec traitement spécifique des apports de chrome (Partie II §4).

À partir des années 1970, l’évolution économique marquée par la très forte demande en produits plats minces (nuances ferritiques à 17 % Cr et austénitiques 18 % Cr / 8 % Ni), couplée à la banalisation des outils de production, sera le moteur d’une spécialisation progressive des sociétés productrices d’aciers inoxydables entre produits plats et produits longs, sur le modèle de la sidérurgie des aciers non alliés. On distingue désormais, pour ce qui concerne l’héritage des usines françaises :

  • une filière produits plats minces inoxydables, très comparable en son aval à sa parente des produits plats minces non alliés. Elle est représentée par la société APERAM avec ses aciéries de Genk et de Chatelet (près de Charleroi en Belgique), cette dernière étant héritière des deux aciéries à produits plats inoxydables de l’Ardoise (Gard) (ex UGINE) et d’Isbergues (Pas de Calais) (ex CHATILLON-COMMENTRY-BIACHE), son train à bandes (TAB) de Chatelet, et ses ateliers de transformation à froid de Genk, d’Isbergues (Pas de Calais), Gueugnon (Saône et Loire) et Pont de Roide (Doubs).

  • une filière produits longs inoxydables (barres et fils, ronds à tubes, pièces forgées) représentée en France par la société UGITECH (aciérie d’Ugine, Savoie), la société AUBERT & DUVAL (aciérie des Ancizes, Puy de Dôme). L’usine APERAM d’Imphy (Nièvre) longtemps active en produits longs inoxydables se consacre désormais essentiellement aux alliages de la métallurgie de précision (alliages au nickel à propriétés physiques particulières).

  • une filière tôles fortes, et gros lingots destinés à la forge représentée par la société INDUSTEEL (filiale d’ARCELOR MITTAL) et son aciérie du Breuil au Creusot (Saône et Loire) qui coule en lingots des aciers inoxydables, dans une production majoritaire d’aciers faiblement alliés.

Le tableau 1 regroupe de manière chronologique les principales évolutions techniques pour l’industrie française et sa filiation, qui sont décrites dans les paragraphes successifs de la présente synthèse.

La production mondiale d’aciers inoxydables, d’abord nord-américaine et européenne, s’est étendue progressivement vers l’Asie, très rapidement vers le Japon, puis vers la Corée du Sud et la Chine. Elle représente environ 3 % de la production mondiale d’aciers, en tonnages mais bien plus en valeur. Sur un demi-siècle, son développement a été impressionnant (Fig. 1), notamment en produits plats : entre 6 et 7 millions de tonnes à la fin des années 1970, elle doublait au début des années 1990, avant une croissance spectaculaire à partir de 2000 sous l’influence de la Chine qui représente, aujourd’hui, 50 % de la production mondiale d’aciers inoxydables2. En 2017, la répartition entre produits plats et produits longs était de 82 et 8 % ; les aciers Cr-Ni (série 300) représentaient 55 % de la production ; les aciers au chrome (série 400), 25 % ; les aciers Cr-Mn (série 200), 20 % [3]. On observe que c’est bien la demande en produits plats qui a été le moteur principal du développement de la production d’aciers inoxydables ; c’est aussi la raison pour laquelle les principales aciéries productrices de demi-produits plats en aciers inoxydables se sont rapprochées des trains à bandes pour le laminage à chaud.

Tableau 1

Chronologie des évolutions techniques dans la production des aciers inoxydables.

Chronology of technical evolutions in stainless steels production.

thumbnail Fig. 1

Evolution de la production mondiale d’aciers inoxydables [3].

Stainless steel world production.

2.2 Naissance de l’électrométallurgie : la réduction des minerais de chrome

2.2.1 Naissance de l’électrométallurgie

Les travaux d’Héroult3 (1863–1914 : invention du four électrique à arc) et ceux de Moissan (1852–1907 : réduction des oxydes réfractaires et production des carbures métalliques aux températures de l’arc électrique), au tout début du 20e siècle, allaient être à l’origine de l’électrométallurgie. Les travaux scientifiques des deux précurseurs furent relayés par deux industriels : Paul Girod fondateur des aciéries d’Ugine et Henry Gall (1862–1930) à l’origine de la Société d’Electrochimie (fabrication des chlorates par électrolyse) et de la Société des Carbures Métalliques (notamment pour la fabrication du carbure de calcium).Ces trois entreprises, sous l’impulsion d’Henry Gall, fusionneront en 1920 pour former la Société d’Electrochimie et d’Electrométallurgie et des Aciéries Electriques d’Ugine (SECEMAEU).Celle-ci se développera dans les vallées alpines (vallées de la Maurienne, de la Romanche, de la Tarentaise, de l’Arly, de l’Arve et du Giffre) par la mise en exploitation des ressources hydro-électriques locales. C’est ainsi qu’allait être produite, par voie électrothermique, une large variété de ferroalliages dont le débouché principal serait la sidérurgie et ses besoins en éléments d’alliages : Fe Mn (mais qui pouvait être aussi produit aux haut-fourneaux), FeSi, FeCr, FeMo, FeW, FeTi, FeV, SiCa, SiCr4… Une bonne partie de cette électro-métallurgie alpine est aujourd’hui démantelée.

2.2.2 Les minerais de chrome

Les minerais de chrome traités par l’électrométallurgie contiennent entre 45 et 55 % de Cr2O3, 13 % à 17 % de FeO principalement liés dans un spinelle (la chromite) : Cr2O3,(FeMg)O. L’industrie des ferro-alliages utilise préférentiellement des minerais où le rapport Cr/Fe est supérieur à 3. La gangue est principalement composée de minéraux alumino-magnésiens (les minerais de chrome contiennent autour de 20 % MgO. 10 % Al2O3, 5 % SiO2). Les principaux gisements de minerais de chrome, d’origine magmatique, se trouvent (par ordre décroissant d’importance) en Afrique du Sud, Turquie, Kazakhstan, Inde, Finlande5, Russie, Iran, Albanie, Madagascar, (où la société UGINE avait mis un gisement en exploitation pour alimenter en minerais ses fours de réduction de l’usine de l’Ardoise). La production minière mondiale annuelle de chromite approche aujourd’hui les 40 millions de tonnes6.

Au vu de cette composition des minerais, on peut déjà observer que leur réduction posera un double problème : par la stabilité de Cr2O3, beaucoup moins réductible que Fe2O3 des minerais de fer ; par son caractère réfractaire propre (le minéral est aussi utilisé comme matière première dans l’industrie des produits réfractaires, notamment dans ceux destinés aux réacteurs métallurgiques) ainsi que celle de la gangue. Pratiquement seule l’électrométallurgie permettra d’atteindre facilement les températures requises pour la réduction par le carbone de l’oxyde de chrome et la fusion de la gangue.

2.2.3 La fabrication des FeCr carburés

On distingue commercialement trois catégories de FeCr carburés, selon la teneur en carbone :

  • carbone compris entre 6 et 10 % ;

  • carbone compris entre 4 et 6 % ;

  • carbone compris entre 4 et 10 % avec une forte teneur en Si (entre 2 et 10 %) ; les variétés les plus chargées en silicium sont référencées sous la dénomination « charges Cr ».

La réduction au four électrique du minerai de chrome est une carbothermie, où le carbone est l’agent réducteur (et non le CO comme dans un haut-fourneau) avec formation de carbures (Cr3C2 et Cr23C6), ces carbures aux températures croissantes (> 1500 °C pour Cr3C2 ; > 1700 °C pour Cr23C6) vont eux-mêmes réduire Cr2O3 ; ce qui explique que les FeCr carburés produits seront à teneur d’autant plus faible en carbone que la température de leur élaboration aura été plus élevée. Lors de l’opération de réduction, aux températures atteintes dans le four, il y a aussi une carbothermie de la silice d’où les teneurs parfois élevées en silicium du FeCr produit [4].

Cette séquence de réactions, avec les températures requises, faisait pratiquement du four électrique de réduction (smelting furnace) le seul outil adapté pour produire des FeCr en masse, d’autant que la non réductibilité des oxydes de chrome par le CO rendait pratiquement inutile la fonction échangeur chimique gaz/solide à contre-courant qui était principalement celle du haut-fourneau dans la réduction des minerais de fer.

Le smelting furnace (Fig. 2) est un four électrique à arc alimenté en courant alternatif triphasé. Il se distingue du four à arc de fusion de ferrailles par les caractéristiques suivantes, qui en font une sorte de bas fourneau électrique :

  • le four est le plus souvent non basculant et coule par un trou de coulée qu’on débouche périodiquement, lorsque la quantité de ferroalliage liquide accumulée dans le creuset est suffisante ;

  • la production est quasi-continue au sens où la puissance électrique appliquée est quasi permanente et l’apport en minerais à réduire et en réducteur (coke métallurgique) quasi-continue ;

  • le creuset où se rassemble le ferro-alliage liquide est bâti avec un garnissage graphite ;

  • il est surmonté d’une courte cuve où se préchauffe la charge (minerais à réduire et coke métallurgique réducteur) ;

  • les électrodes en graphite qui plongent verticalement dans la charge sont parfois des électrodes auto-cuiseuses (électrodes Söderberg : graphitisation progressive à mesure que l’électrode descend dans la charge).

Dans les usines récentes productrices de FeCr carburé le smelting furnace est précédé d’un atelier de préparation du minerais (broyage, pelletisation et frittage) et de préchauffage de la charge par la post-combustion des fumées (riches en CO) issues du four électrique de réduction.

Compte-tenu de la faible teneur en carbone exigée par la plupart des aciers inoxydables et de l’impossibilité de décarburer des bains riches en chrome sans réoxyder du chrome, les FeCr carburés ne pouvaient être l’unique vecteur du chrome dans les aciers inoxydables. Avec les moyens dont disposaient les aciéristes jusqu’à la fin des années 1960, ces FeCr carburés ne pouvaient représenter au mieux que 60 % du chrome de la nuance ; il était donc nécessaire de disposer de ferro-chrome à teneur bien plus basse en carbone, obtenus à partir du minerai de chrome en prenant le détour d’une silicothermie.

thumbnail Fig. 2 Four électrique pour la production des ferro-alliages (smelting furnace) [4].

Crt : creuset en graphite ; Tc : trou de coulée ; El : électrode ; Ch : alimentation (coke et minerais).

Smelting furnace.

2.2.4 La fabrication des FeCr affinés et suraffinés (bas carbone)

La société UGINE, par le procédé Perrin-Greffe mis au point par sa branche ferro-alliages, va remarquablement industrialiser cette production de FeCr suraffiné (75 % Cr, %C < 0,030). L’obtention de ce FeCr suraffiné à bas carbone, à partir de minerais de chrome, par la voie électrothermique, repose sur une silicothermie qui exploite la propriété des alliages riches en chrome de dissoudre d’autant moins de carbone qu’ils sont plus riches en silicium (Fig. 3).

Le procédé de fabrication du FeCr suraffiné va donc consister à opérer en parallèle deux smelting furnaces :

  • l’un pour fondre le minerai de chrome et obtenir un minerai fondu. Ce four est chargé en minerais de chrome et en chaux (ajoutée à la charge en prévision de la silicothermie ultérieure). Ce four n’a qu’une fonction de fusion d’une charge minérale réfractaire.

  • l’autre pour élaborer et couler un alliage SiCr (44 % Si, 38 % Cr) dont la teneur en silicium garantira sa très basse teneur en carbone (%C < 0,020) bien que la réduction procède de la carbothermie. Ce four est chargé en quartzite (SiO2), en minerai de chrome (Cr2O3, FeO) et en coke métallurgique (carbone réducteur).

Il s’agira ensuite de faire réagir le SiCr liquide sur le minerai de chrome fondu (silicothermie par réaction métal liquide/laitier liquide), de manière à obtenir un FeCr liquide bas carbone (le carbone a été éliminé du système par la présence du Si à forte teneur). La très grande originalité du procédé Perrin-Greffe sera d’opérer cette réduction du minerai de chrome par le SiCr à contre-courant en s’appuyant sur la maitrise des échanges métal/laitier par transvasements poche à poche, acquise par les aciéristes d’UGINE avec le procédé Perrin.

Le procédé est schématisé à la figure 4. La réduction à contre-courant qui permet une excellente récupération du chrome contenu dans le système, consiste à faire réagir le réducteur le plus puissant (SiCr) sur un laitier déjà partiellement épuisé en chrome (laitier S à 10 % Cr2O3), ce qui produit un alliage intermédiaire (métal E à 45 % Cr et 20 % Si). Ce métal intermédiaire est lui-même utilisé comme réducteur sur le minerai fondu pour produire le FeCr suraffiné bas carbone recherché, le sous-produit de cette réduction étant le laitier S (que nous avons mentionné précédemment) qui sera épuisé en chrome par le traitement au SiCr.

Le point de fusion du FeCr suraffiné bas carbone étant voisin de 1650 °C, les points de fusion des charges minérales des fours étant supérieurs à 1800 °C et les réactions de silicothermie étant fortement exothermiques, les transvasements poche à poche se font sur des charges liquides (laitiers et alliages) à des températures approchant les 2000 °C, soit 400 °C au-dessus des températures usuelles en aciérie. Cela suppose une gestion particulière des garnissages réfractaires des poches en service (pratique des auto-garnissages : tapissage du garnissage réfractaire des poches par le minerai fondu).

Ce procédé mis en œuvre, avec un ballet assez impressionnant des poches d’alliages et de laitiers liquides assurant les transvasements poche à poche, en amont des aciéries électriques de Moutiers (Savoie) et de l’Ardoise (Gard) (ces deux usines sont aujourd’hui démantelées) assurera à la société UGINE, jusqu’à l’arrivée de l’AOD, un leadership industriel en matière d’aciers inoxydables.

Dans les années 1950 était apparu aux USA (société Union Carbide) un procédé dit « Simplex » [4] consistant à décarburer en phase solide, sous vide, des briquettes constituées d’un aggloméré de FeCr carburé broyé finement et d’oxydes (SiO2, Cr2O3, FeO) pour fournir l’oxygène de décarburation. Le four (capacité 75t) chauffé électriquement par résistors de graphite vers 1250 °C, soumis au vide, traitait sa charge en 80 h environ. L’avantage du procédé était d’éviter les très hautes températures en traitant la charge en phase solide. Son principal inconvénient, outre son temps opératoire, était de fournir un alliage à la propreté inclusionnaire largement déficiente (les résidus des oxydes incorporés aux briquettes qui ne pouvaient décanter faute de passage par une phase liquide), qui avait un effet repoussoir sur les aciéristes déjà à la recherche de la propreté inclusionnaire. Ce procédé « Simplex » est à notre connaissance la première intervention industrielle du vide dans la fabrication des alliages de chrome.

thumbnail Fig. 3 Solubilité du carbone dans les alliages Fe-Cr-Si [4].

On observe que la solubilité du carbone devient pratiquement nulle à partir de 40 % de Si.

Carbon solubility in Fe-Cr-Si alloys.

thumbnail Fig. 4

Le procédé Perrin-Greffe pour la production du FeCr suraffiné bas carbone [5].

Low carbon FeCr production by Perrin-Greffe process.

2.2.5 La réduction des minerais de chrome par carbothermie sans apport d’énergie électrique

L’éventualité d’un passage par la fonte au chrome (Partie II §3), incita la société CREUSOT-LOIRE à réfléchir à la réduction directe des minerais de chrome pour obtenir un FeCr carburé sans passer par l’électrothermie.

2.2.5.1 Principe du procédé Bouchet

Au début des années 1960 au moment où la profession sidérurgique s’enflammait pour la réduction directe des minerais de fer (avec l’objectif de court-circuiter les hauts-fourneaux), un cadre dirigeant de la Société Métallurgique d’Imphy (Mr Bouchet, ingénieur spécialiste de fonderie) imagina, à partir d’un four électrique de fonderie (four Mazières : four électrique monophasé, tournant autour d’un axe horizontal, avec les deux électrodes disposées horizontalement dans l’axe du four), un procédé de réduction directe dont le réacteur ressemblait assez fortement à une cornue tournante Kaldo (Partie II §3.1), puisque qu’on substituait une lance à oxygène aux électrodes. La démarche paraissait paradoxale puisque le procédé opérait en réduction (grâce à du charbon chargé avec le minerai) alors que le bilan énergétique du procédé reposait sur la consommation d’oxygène. Le procédé fonctionnera cependant parfaitement en réduction/fusion.

2.2.5.2 Description du procédé

Dans le procédé Bouchet, on poussait aux extrêmes la coexistence d’une charge solide en cours de réduction et de fusion, composée de carbone réducteur et du minerai à réduire, et d’une atmosphère oxydante où le CO émis par la charge était brûlé en CO2 dans le réacteur par l’injection d’oxygène. La température et la cinétique de réduction étaient pilotées par la vitesse d’apport d’oxygène au sens où plus on injectait d’oxygène dans l’atmosphère plus la température s’élevait, mais plus la consommation de réducteur (le carbone de la charge) croissait. Le garnissage exposé à l’atmosphère du four était surchauffé par la postcombustion de CO en CO2 et transmettait à la charge, grâce à la rotation de la cornue, une partie de son énergie emmagasinée. Le réacteur, si on le poussait au maximum de ses capacités productives, se révèlerait être un redoutable consommateur de carbone, d’oxygène et de briques réfractaires.

Les réflexions de la société CREUSOT-LOIRE, autour de l’affinage en convertisseur CLU (Partie II §3.2) de charges à haut carbone et chrome et son exploitation à l’aciérie AUMD de Decazeville (Aveyron) conduisirent à y expérimenter la réduction de minerais de chrome uniquement par carbothermie afin de produire un alliage de chrome carburé. Le four Bouchet paraissait être un réacteur adapté au projet compte tenu des températures qu’il permettait d’atteindre, sans avoir recours à l’énergie électrique (la région étant à l’époque assez déficitaire au point de vue de la puissance électrique disponible). La charge du four était constituée de boulets moulés associant fines de charbon et minerais de chrome poudreux auxquels on ajoutait du charbon réducteur en vrac. Le four Bouchet coula sans problèmes majeurs un FeCr carburé.

Il est clair que l’idée d’un tel procédé ne pouvait naître que dans un monde industriel ne se préoccupant absolument pas des émissions de CO2 puisque la problématique du réchauffement climatique n’était pas encore apparue. Cependant à un moment où le pays se lançait massivement dans son programme électronucléaire, revenir à un procédé reposant entièrement sur l’énergie fossile issue du charbon et se substituant à l’électrométallurgie, n’allait pas vraiment dans le sens de l’Histoire. Nous l’avons retenu comme une illustration, appliquée aux minerais de chrome, de cet engouement pour la réduction directe qui avait saisi la profession sidérurgique, au plan mondial, dans les années 1960/1970.

2.2.6 Production actuelle des Ferro-chromes

Les moyens modernes d’affinage des aciers inoxydables (procédés AOD et VOD, voir partie II) ont considérablement réduit les besoins en FeCr suraffinés bas carbone (utilisés désormais uniquement pour le réglage final de la teneur en chrome de la nuance élaborée). En conséquence l’essentiel du chrome neuf destiné à la production des aciers inoxydables l’est désormais sous forme de ferro-chrome carburés dont les usines productrices (suivant le schéma décrit en 2.2.3) sont souvent proches des gisements de chromite (Finlande, Turquie, Inde, Russie, Afrique du Sud).

2.2.7 Production du nickel

Le nickel entre, pour des teneurs comprises entre 8 et 20 %, dans la composition des nuances inoxydables austénitiques. Il nous parait utile de rappeler ici, dans ses très grandes lignes, cette métallurgie extractive du nickel car elle pèse d’un grand poids, par le prix du nickel qui en résulte et par sa perpétuelle fluctuation de grande ampleur, sur l’économie des aciers inoxydables (Annexe C).

Les gisements de nickel sont de deux natures :

  • ceux où les minerais sont de type oxydes : gisements latéritiques type Nouvelle-Calédonie ou Cuba.

  • ceux où les minerais sont de type sulfures : gisements de Sudbury dans l’Ontario au Canada, de la presqu’île de Kola et de Norilsk en Russie.

On notera la très faible teneur en nickel de tous ces gisements (moins de 3 % de Ni contenu et le plus souvent moins de 1,5 %), ce qui entraine, au point de vue de l’extraction minière et du traitement métallurgique la manipulation d’une très grande quantité de matières minérales avec les coûts en résultant. Le cobalt est le plus souvent associé au nickel dans ces minerais, de même que le cuivre dans les minerais sulfureux.

Les traitements des minerais de nickel sont différents selon qu’on a affaire à des minerais oxydes ou des minerais sulfures. Ils peuvent être électrothermiques, hydrométallurgiques, ou combiner les deux types de procédés. L’annexe C illustre ces procédés de manière non exhaustive, en fournissant un exemple de traitement pour chacun des deux types de minerais ; quelques éléments relatifs à l’économie du nickel y sont aussi rassemblés.

Les producteurs d’aciers inoxydables consomment le nickel neuf (par opposition à celui contenu dans les ferrailles inoxydables) sous forme de gueuses de Fe-Ni (24 % Ni), de Ni « pur » (rondelles, billes, briquettes, cathodes…) issu de divers procédés (Annexe C) selon le niveau d’impuretés tolérable par la nuance d’acier élaborée (teneur en Co notamment).

2.2.8 Importance économique des chutes d’aciers inoxydables

La croissance du marché des aciers inoxydables a fortement accru la production de ferrailles et chutes inoxydables en même temps que s’organisait rationnellement leur recyclage avec séparation des chutes ferritiques sans Ni (magnétiques), des chutes austénitiques contenant du Ni (amagnétiques). La filière du four électrique à arc, devenue très largement majoritaire dans l’élaboration des aciers inoxydables, est particulièrement adaptée à la consommation de cette source essentielle de chrome et de nickel.

3 Conclusion

Dans la liste des problèmes aujourd’hui résolus, le premier point crucial pour produire des aciers inoxydables était la disponibilité d’importantes quantités de chrome. Les minerais de chrome étant très réfractaires, c’est grâce à l’invention de l’électrométallurgie au début du 20e siècle, que cet obstacle fut levé. La production de ferro-chromes carburés, puis à bas carbone, est passée par plusieurs stades : réduction carbothermique au four électrique (smelting furnace) ; FeCr surraffiné (très bas carbone) par le procédé Perrin-Greffe grâce à un détour par la silico-thermie à des températures voisines de 2000 °C.

Aujourd’hui les principales sources de chrome de la métallurgie des aciers inoxydables sont les ferrailles et chutes d’aciers inoxydables et les ferro-chromes carburés. Ces matières sont fondues au four électrique à arc et l’affinage (dont la décarburation), grâce aux méthodes de décarburation sous vide ou par dilution d’argon, est conduit en aval du four de fusion, ce qui accroit considérablement la productivité du four électrique à arc en le spécialisant sur sa fonction principale : la fusion. La présentation des nombreux problèmes thermochimiques rencontrés et des solutions techniques apportées fait l’objet de la partie II.

Annexe A Passivité des aciers inoxydables

La résistance à la corrosion
n’est pas une propriété du métal,
mais celle de l’interface métal-milieu corrosif.

« Inoxydabilité ». Les aciers « inoxydables » résistent à la corrosion parce qu’ils sont déjà oxydés ! En anglais on dit « stainless » (sans tache) et en allemand « rostfrei » (sans rouille). C’est le chrome (à des teneurs de 12 à 25 %) qui confère les propriétés de résistance à la corrosion, en formant un film protecteur, appelé couche passive, constituée d’oxydes de chrome et de fer plus ou moins hydratés. Pour que cette couche soit stable et protectrice, il faut que les milieux corrosifs soient oxydants, sinon la protection ne se forme pas et le fer se dissout rapidement. C’est pourquoi, l’eau distillée désaérée est plus corrosive que l’acide nitrique concentré !

« Aciers inoxydables ». De façon générale, pour être appelés « inoxydables », les aciers doivent avoir une teneur en chrome supérieure à 12 %. Cette norme est issue de la mesure de la vitesse d’attaque des alliages Fe-Cr en fonction de leurs teneurs en chrome, dans des atmosphères industrielles ou semi-rurales. Cette vitesse devient quasi nulle lorsque Cr>12 %. Cependant, la teneur limite en chrome est fonction du milieu corrosif. Dans certains cas, il faut au moins 25 % Cr. Le niveau de carbone est variable en fonction des applications, généralement en dessous de 0,1 % et, assez souvent, on exige des teneurs inférieures à 0,03 % C. En revanche, dans la famille des aciers inoxydables martensitiques, largement utilisés pour des outils ou des pièces pour l’industrie mécanique, la teneur en carbone peut aller jusqu’à 0,7 %. En plus du chrome, les autres éléments d’alliages les plus importants sont le nickel, entre 8 et 25 % et le molybdène, entre 2 et 6 % pour des nuances devant résister à certains milieux chimiques plus agressifs. Il s’agit là des éléments principaux. On trouve aussi du silicium, du manganèse, du cuivre, du titane, et du niobium etc. et de l’azote dans des nuances plus récentes. Ces éléments d’alliages, en fixant l’état structural après les mises en forme et les divers traitements thermiques interviennent à la fois sur la tenue à la corrosion face à un milieu déterminé et sur les caractéristiques mécaniques obtenues.

« Passivité ». La réalité des mécanismes de protection des aciers inoxydables dans différents types de milieux agressifs est bien plus complexe que celle qui est décrite, en première approximation, par l’existence d’une couche protectrice d’oxyde à base de chrome. Pour synthétiser la complexité des mécanismes de corrosion-résistance à la corrosion, il faut comprendre que « la couche protectrice, dite couche passive, ne se forme que lorsque l’acier est en contact avec le milieu corrosif » ; et dépend de la nature du milieu agressif. Cette protection ne sera acquise qu’à la condition que l’acier soit correctement choisi pour qu’il n’y ait pas de corrosion active.

La situation est très différente de celle de l’acier galvanisé où la couche de zinc est mise en place à la fabrication du produit. On sait que si la couche de zinc est localement endommagée le fer restera protégé (effet de couplage galvanique favorable), mais l’endommagement du zinc est irréversible. Cette protection n’est valable que dans des circonstances bien précises : le fer galvanisé dans l’air, sous des conditions d’humidité et de pluie intermittentes, alors que dans l’eau, en permanence, le zinc se dissout et le fer est attaqué.

« Stabilité de la couche passive ». Dans le cas des aciers inoxydables, la couche passive se forme par réaction entre le métal (avant tout le chrome) et le milieu agressif. Si une perturbation détruit localement la couche passive, la réaction avec le milieu agressif répare cette couche. Cependant, une couche passive établie dans des conditions stables, ne sera plus protectrice s’il se produit des variations importantes du milieu agressif : acidité, température, vitesse d’écoulement, aération, etc. La couche passive pourra être endommagée par des sollicitations mécaniques en traction ou en fatigue du métal. Enfin, la couche passive n’aura pas la même structure sur la totalité de la surface du métal : la présence d’inclusions, essentiellement de sulfures, ou de carbures après soudage, peut affaiblir localement la couche, de même que des états de surface grossiers (traces d’usinage, sablage imparfait, dépôts mal nettoyés, …) et conduire à des corrosions localisées (notamment corrosion par piqûres).La mise en service d’un équipement en acier inoxydable nécessite donc de multiples précautions : définition la plus précise possible des conditions d’utilisation (milieu corrosif, stabilité chimique du milieu, température, … contraintes mécaniques), capacité d’inspection des endroits les plus sensibles (confinement, turbulences, coudes de tuyauteries…), respect des procédures de soudure, d’usinage, de contrôle des états de surface, etc. C’est seulement à ce prix que l’on pourra affirmer, selon la formule populaire, que « l’acier inoxydable est un bon acier ! ».

Lectures recommandées :

  • L. Colombier, J. Hochmann, Aciers inoxydables, aciers réfractaires, Dunod, 1965

  • P. Lacombe, B. Baroux, G. Béranger, Stainless steels, Editions de physique, 1993

Annexe B Le rôle du carbone dans les aciers inoxydables

Effet durcissant du carbone. Le carbone a un effet durcissant dans les aciers inoxydables comme dans les « aciers au carbone ».

Critère primordial de choix d’un acier inoxydable. Dans la grande majorité des conditions d’utilisation des aciers inoxydables, c’est d’abord la résistance à la corrosion qui est recherchée, et non pas un haut niveau de résistance mécanique. Les aciers inoxydables (sauf nuances très spécifiques) ne sont pas des matériaux de construction comme les aciers au carbone, même si certaines pièces mécaniques sont fortement sollicitées, en milieu corrosif. Pour les aciers austénitiques à très bas carbone (ex : 304L, 316L…) un traitement d’écrouissage par déformation à froid (étirage des barres, tréfilage des fils, skin-pass des tôles fines) est souvent indispensable pour assurer une limite d’élasticité acceptable.

Compromis. Le carbone est indispensable dans certains aciers inoxydables, et néfaste dans d’autres. Il s’agit à chaque fois de trouver le meilleur compromis entre la résistance à la corrosion et le niveau de propriétés mécaniques recherché. Le carbone en solution solide ne pose pas de problème vis-à-vis de la résistance à la corrosion, c’est la précipitation de carbures de chrome dans certaines circonstances de mise en œuvre (soudage, traitements thermiques, …) qui peut mettre en péril la durée de vie du produit et ceci, en fonction des conditions d’utilisation : nature du milieu corrosif, nature et niveau des contraintes appliquées (statiques, fatigue, température, …).

Equilibrage des microstructures. Le carbone, « gammagène » comme le nickel, stabilise les structures austénitiques. Pour équilibrer la composition d’une austénite, par exemple 18–8 par rapport au 18–10, il faut faire le choix de plus ou moins de Ni ou de C. Le nickel coûte cher, le carbone non. Le chrome est toujours l’élément de base pour la résistance à la corrosion. Le niveau de carbone recherché est atteint par une conduite contrôlée de la décarburation en cours d’affinage et par des additions éventuelles de produits carburés lors du réglage analytique final.

Deux exemples extrêmes

  • Forte teneur en carbone : Acier de coutellerie de type bistouri chirurgical. On utilise des « aciers martensitiques » à 17 % Cr–0,7 % C qui présentent une dureté élevée et une résistance suffisante à la corrosion ;

  • Très basse teneur en carbone : Les aciers austénitiques à très bas carbone (C < 0,03 %) ou ceux stabilisés au Ti ou Nb sont indispensables dans les situations où toute précipitation de carbures de chrome est interdite, notamment après soudage (corrosion intergranulaire).

Hypertrempe des aciers austénitiques. Les aciers austénitiques sont généralement livrés dans l’état « hypertrempé ». Ce terme signifie qu’une trempe rapide depuis une haute température (ex 1200 °C) où l’acier est austénitique et tout le carbone en solution solide, produit une microstructure identique à celle de haute température, c’est à dire : la même austénite avec le même carbone en solution solide. Pour un refroidissement moins rapide ou un maintien même court à des températures intermédiaires (ex : 800–850 °C), les carbures de chrome précipitent aux joints de grains, car la solubilité du carbone décroit aux plus basses températures. Cette précipitation a des conséquences très néfastes sur la tenue à la corrosion (cf. infra : corrosion intergranulaire), d’où la nécessité de l’éviter par l’opération d’hypertrempe.

Dans les aciers ferritiques, une trempe rapide ne parvient pas à empêcher les carbures de précipiter aux joints de grain, parce que la solubilité du carbone est quasi nulle à basse température dans la ferrite et que la diffusion du carbone y est rapide, beaucoup plus que dans l’austénite.

Corrosion intergranulaire par précipitation de carbures de chrome (austénites et ferrites)

Au cours de certains traitements thermiques, plus spécialement après soudage, les zones qui sont passées quelques minutes dans le domaine de températures 800–850 °C, sont soumis à une précipitation intergranulaire de carbures à forte teneur en Cr, de type Cr23C6 (quatre atomes de Cr pour un atome de carbone).Il s’ensuit une forte déchromisation locale le long des joints de grains où la teneur en chrome n’est plus suffisante pour résister à la corrosion. Cette sensibilisation à la corrosion intergranulaire est plus marquée sur les aciers ferritiques que sur les aciers austénitiques en raison de la faible solubilité et la grande diffusivité du carbone dans la ferrite.

C’est uniquement le carbone, en solution solide à plus haute température ou dans une tôle hypertrempée, qui participe à la réaction de précipitation des carbures dans le domaine critique. Il existe plusieurs solutions pour y remédier : (1) baisser le carbone au-dessous de 0,03 % ou (2) piéger une partie du carbone par du Ti ou du Nb qui forment des carbures stables à haute température et diminuent le carbone libre en solution solide ou (3) faire un traitement thermique à une température suffisamment élevée pour faire diffuser le chrome et combler partiellement ou totalement le déficit en chrome le long des joints de grains, mais cette solution est peu utilisée car elle implique un traitement thermique après soudage ou (4) remplacer le carbone par de l’azote.

Rôles de l’azote. Au cours du soudage, dans le domaine de températures 800–850 °C, ce sont des nitrures de type Cr2N qui précipitent aux joints de grains. De ce fait, la déchromisation locale est plus faible qu’avec le carbone, car la consommation de Cr par le nitrure est à peu près deux fois plus faible que par le carbure : Cr/N = 2 contre Cr/C = 3,8. On pourra accepter un niveau d’azote plus élevé que celui du carbone, ce qui améliore les propriétés mécaniques de l’acier. Des teneurs en manganèse plus élevées permettent d’augmenter la solubilité de l’azote (Fig. 15, Partie II §2.3.3) cependant l’introduction d’azote au-delà de 0,3 % nécessite des techniques d’élaboration spécifiques comme la mise sous pression de la phase liquide. L’augmentation de la teneur en manganèse permet, pour un même équilibrage de la nuance, de baisser la teneur en nickel, ce qui a un effet intéressant sur le coût des matières premières utilisées.

Annexe C Éléments techniques et économiques concernant la métallurgie extractive du nickel

Procédés [Bo,Ti]

Le traitement des minerais de type oxydes par la société SLN en Nouvelle-Calédonie

Le minerai après sa préparation (enrichissement) est préchauffé dans des fours tournants de type cimenterie, puis chargé avec du coke dans un « smelting furnace » électrique, qui produit un ferro-nickel (Ni : 24 % ; S : 0,3 % ; C : 2 % ; Si : 3 %). Cette « fonte au nickel » sera plus ou moins affinée (désiliciée, décarburée, désulfurée) par les moyens sidérurgiques conventionnels (convertisseurs à l’oxygène, traitements en poche). Les FeNi obtenus sont coulés en gueuses qui pourront être incorporées à la charge des fours électriques des producteurs d’aciers inoxydables.

On peut aussi passer par la matte (sulfures) en chargeant le minerai d’oxydes dans un bas-fourneau et en ajoutant du gypse (sulfate) à la charge. On récupère en sortie de fourneau une matte liquide à 10 % S, 63 % Fe, 27 % Ni+Co. La matte liquide est ensuite traitée au convertisseur pour déferrage. Le produit coulé contient alors 78 % Ni+Co, 22 % S. Cette matte sera traitée soit par hydrométallurgie, soit par pyrométallurgie (par grillage oxydant) pour éliminer le soufre. On obtient ainsi un Ni plus ou moins purifié. On notera que seuls les procédés hydro-métallurgiques permettent de séparer le Co.

Le traitement pyro-métallurgique des minerais sulfureux

Il comprend en général trois étapes :

  • le grillage oxydant qui vise à éliminer une partie du soufre sous forme de SO2 et transformer une partie des sulfures de fer en oxydes. Ce grillage peut se faire sur des chaînes d’agglomération (analogues à celles utilisées dans l’agglomération des minerais de fer), dans des fours à lits fluidisés, dans des fours tournants de cimenterie. Le produit sortant est un aggloméré solide ;

  • smelting. C’est une fusion oxydante en présence de SiO2 visant à éliminer le fer restant de l’opération précédente (FeS), sous forme silicate de fer qui sera éliminé avec le laitier. Elle peut se faire en bas fourneaux, par flash smelting dans un courant d’oxygène (la combustion des composée de S est fortement exothermique), dans un four électrique ;

  • conversion. Les opérations précédentes ont permis d’éliminer l’essentiel de la gangue et une bonne partie du fer. Ni, Cu et Co sont sous forme de matte. L’opération de conversion vise à parachever le déferrage (la matte coulée après conversion est à 1 % de fer).

Il reste à séparer le Ni du Cu, cela peut se faire par solidification et refroidissement contrôlés de la matte liquide (séparation des deux phases Ni3S2 et Cu2S), électrolyse, hydrométallurgie.

On notera au passage que le traitement des minerais sulfureux et l’affinage oxydant des mattes engendrent de très grands volumes de SO2 qui posent de redoutables problèmes de dépollution des gaz émis (ces émissions contribuent à la formation de pluies acides détruisant la végétation environnante).

Les procédés de purification finaux. [Bo, Kr]

Ils ont pour objectif de délivrer un nickel pur (à plus de 99 % de Ni) et de valoriser les éléments métalliques mineurs (dont le Co). On distinguera parmi une grande variété de procédés :

  • La carbonylation (procédé Mond : historiquement le premier procédé de purification) : Ni en présence de CO forme à 50 °C du Ni tétracarbonyle Ni(CO)4 gazeux, qui se décompose à 250 °C pour redonner du Ni métallique. Le procédé suppose un déferrage préalable de la matte pour éviter la carbonylation simultanée du fer ;

  • Hydrométallurgie des sulfures de Ni. Le procédé concerne aussi bien les mattes issues du traitement des minerais oxydes que des minerais sulfures. Les procédés comportent successivement une lixiviation pouvant faire appel à diverses chimies, une purification des solutions pour en retirer les précipités de Co et de Cu, une réduction par l’hydrogène qui donne une poudre de nickel frittée en briquettes ;

  • Electrolyse. L’électrolyte est un sulfure de nickel mélangé à de l’acide sulfurique. On récupère le métal purifié sous forme de cathodes.

Quelques données économiques à propos du nickel

Dans les années 1950 la production minière mondiale (en Ni contenu) fluctuait autour de 180 kt/an, elle dépasse désormais 2000 kt/an, une part très significative de cet accroissement de production est liée au développement des aciers inoxydables austénitiques, notamment en Chine (développement des gisements indonésiens et philippins). L’industrie des aciers inoxydables consomme 70 % de la production mondiale de nickel [Nii].

Les minerais oxydes (latérites) sont devenus la principale source de nickel.

Les principaux producteurs, en 2017, étaient les suivants [Wa], (en kt de Ni contenu, production annuelle) : Indonésie 400 ; Philippines 230 ; Canada 210 ; Nouvelle Calédonie 210 ; Australie 190 ; Russie 180 ; Brésil 140 ; Chine 98 ; Guatemala 68 ; Cuba 51. Les importantes variations de production d’une année à l’autre sont le résultat des fluctuations de prix de grande ampleur (les gisements marginaux suspendant leurs productions lorsque les cours du Ni sont trop bas) et/ou des problèmes de pollution [Wa].

Les fluctuations des cours du nickel [Cx] sont de grande ampleur et traduisent les difficultés de l’ajustement de l’offre et de la demande, compte tenu de la lourdeur et de la lenteur de la mise en exploitation des nouveaux gisements et des usines de traitement. Sur les cinquante dernières années les cours du nickel (exprimés en US$ 2019/lb de nickel) ont fluctué entre des points hauts : 14 (1970) ; 13,3 (1988) ; 20,4 (2007) et des points bas (1966 : 6,1 (1966) ; 1986 :4,0 (1986) ; 3,2 (1988) ; 4,6 (2106), pour une moyenne à 7,6 US$. L’année 1988 est particulièrement remarquable avec des cours oscillant entre 13,3 et 3,8 US$ !

Références Annexe C

[Bo] J. Boldt, jr, P. Queneau, The winning of Nickel, Van Nostrand Company, 1967

[Cx] www.croixdusud.Info-Nouvelle-Calédonie, 2019

[Kr] F.K. Krundwell, M.S. Moats, V. Ramachandran, T.S. Robinson, W.G. Davenport, Extractive Metallurgy of Nickel, Cobalt and Platinum Group Metals, Elsevier, 2011

[Nii] Nickel Institute, www.nickelinstitute.org/

[Ti] Eramet, Métallurgie du nickel, Tech. Ing. M2250 (1996)

[Wa] www.worldatlas.com/articles/top-nickel-producing-countries.html

Références

  1. R. Castro, Historical Background to stainless steels. Stainless steels, Les Editions de Physique, 1993 [Google Scholar]
  2. L. Colombier, J. Hochmann, Aciers inoxydables et réfractaires, Dunod, 1965 [Google Scholar]
  3. ISSF, Stainless steels in figures 2018, www.worldstainless.org (statistics) [Google Scholar]
  4. G. Volkert, K. Frank, Metallurgie der Ferrolegierungen, Springer Verlag, 1971 [Google Scholar]
  5. J. Davené, G. Gay, J. Saleil, Le four électrique à arc, partie II, Matériaux & Techniques 102, 301 (2014) [CrossRef] [EDP Sciences] [Google Scholar]

1

Les centres de recherche d’AUBERT & DUVAL et d’IMPHY se consacreront plus spécialement aux superalliages (base Ni et Co), aux aciers à très haute limite élastique (aciers maraging) et pour IMPHY aux alliages au Ni de la métallurgie de précision (type Invar à 36 % de Ni et nuances dérivées).

2

À la fin du 20e siècle, la Chine ne produisait pratiquement pas d’aciers inoxydables, en 2005, elle produisait 13 % du total mondial, en 2017, 54 %. Entre 2005 et 2017, la part de l’Union européenne est passée de 34 à 15 % [3].

3

On ne saurait oublier qu’Héroult, concurremment avec Hall, est aussi l’inventeur du procédé d’électrolyse ignée de l’alumine qui reste aujourd’hui toujours à la base de la production d’aluminium, et dont les sociétés Péchiney et Ugine développeront l’exploitation en France.

4

Il convient de mentionner, parmi ces productions électrothermiques, le carbure de silicium (SiC) utilisé comme matériau réfractaire en conditions réductrices et comme abrasif et le carbure de calcium (C2Ca) dont le principal débouché sera la production d’acétylène, vecteur des premières synthèses organiques jusqu’à l’arrivée des vapocraqueurs de l’industrie pétrochimique permettant la production d’éthylène en grande quantité.

5

La mine de Kémi, près de Tornio au fond du golfe de Botnie, alimente en chrome, par l’intermédiaire d’une usine voisine de FeCr carburé, une aciérie produisant des aciers inoxydables, le tout opéré par la société Outokumpu.

6

Un très important gisement de minerais de chrome a été découvert, il y a quelques années, dans le nord de l’Ontario, au sud-ouest de la baie James. C’est le seul gisement significatif d’Amérique du Nord. Sa mise en exploitation est prévue pour 2028. Pour traiter le minerai extrait une usine de production de FeCr carburé est également envisagée à Sault- Sainte Marie sur le Lac Supérieur.

Citation de l’article : Jean Saleil, Marc Mantel, Jean Le Coze, Production des aciers inoxydables : Histoire et développements. Partie I. Electrométallurgie, production des FeCr, Matériaux & Techniques 108, 103 (2020)

Liste des tableaux

Tableau 1

Chronologie des évolutions techniques dans la production des aciers inoxydables.

Chronology of technical evolutions in stainless steels production.

Liste des figures

thumbnail Fig. 1

Evolution de la production mondiale d’aciers inoxydables [3].

Stainless steel world production.

Dans le texte
thumbnail Fig. 2 Four électrique pour la production des ferro-alliages (smelting furnace) [4].

Crt : creuset en graphite ; Tc : trou de coulée ; El : électrode ; Ch : alimentation (coke et minerais).

Smelting furnace.

Dans le texte
thumbnail Fig. 3 Solubilité du carbone dans les alliages Fe-Cr-Si [4].

On observe que la solubilité du carbone devient pratiquement nulle à partir de 40 % de Si.

Carbon solubility in Fe-Cr-Si alloys.

Dans le texte
thumbnail Fig. 4

Le procédé Perrin-Greffe pour la production du FeCr suraffiné bas carbone [5].

Low carbon FeCr production by Perrin-Greffe process.

Dans le texte

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