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Jean Philibert Alain Vignes Yves Bréchet Pierre Combrade MÉTALLURGIE Du minerai

Jean Philibert Alain Vignes Yves Bréchet Pierre Combrade MÉTALLURGIE Du minerai au matériau 2e édition Invar élaboré par Aperam alloys Imphy, laminé à chaud puis recuit à 1 050 °C. Microstructure reconstruite à partir d’environ 100 000 orientations cristallographiques mesurées par Orienta- tion Imaging Microscopy, OIMTM (diffraction des électrons rétrodiffusés dans un microscope à balayage). Les couleurs, définies dans le triangle stéréographique standard (001 = rouge, 011 = vert et 111 = bleu), indiquent l’orientation du plan {hkl} des grains dans le plan DN-DL : DN, direction normale au plan de laminage ; DL, direction de laminage (grande dimension de 2 000 um). Cliché de Thierry Baudin. CNRS. Université Paris-Sud. Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay. Laboratoire de Physico-Chimie de l'État Solide. Nouvelle Présentation 2013 © Dunod, Paris, 2002 © Masson, Paris, pour l’édition de 1998 ISBN 978-2-10-059754-3 © Dunod – La photocopie non autorisée est un délit. Avant-propos Le succès rencontré par cet ouvrage a incité l’éditeur à en publier une nouvelle édition. La Métallurgie, sous tous ses aspects, reste toujours au premier plan de l’actualité en Science des Matériaux. Même l’importance considérable prise par les matériaux fonctionnels : céramiques, semi-conducteurs, ﬁlms minces, matériaux nanostructurés… n’occulte pas la place éminente de la métallurgie. En effet, la quasi-totalité des aspects traités dans cet ouvrage se retrouve dans les opérations d’élaboration et dans les propriétés en service des composants électroniques et opto-électroniques, des senseurs et actionneurs, etc., parfois dans l’ignorance ou à la surprise de leurs concepteurs. Comme le soulignent récemment deux professeurs de renom du Département de Science des Matériaux du MIT, « les applications fonctionnelles exigent inévitablement de solides connaissances des concepts traditionnels de la métallurgie et de la science des matériaux ». Pour cette nouvelle édition, les auteurs se sont efforcés de corriger les erreurs maté- rielles qui avaient échappé à leur attention, et de compléter ici ou là l’exposé pour combler quelques omissions ou insister sur des développements récents promis à un bel avenir. Il est apparu particulièrement important d’illustrer ainsi le caractère vivant et évolutif de la discipline : questions ouvertes ou controversées, nouvelles méthodes d’investigation, nouvelles approches de modélisation. L’étudiant doit en effet être sensibilisé au fait que le champ reste ouvert et attend des contributions nouvelles. La modélisation des transforma- tions structurales a connu depuis quelques années des succès remarquables. Aussi avons- nous consacré quelques pages aux principales méthodes de simulation utilisées dans ce domaine. La quatrième partie notamment – Métallurgie mécanique – a bénéﬁcié de plusieurs développements d’importance pratique pour l’ingénieur métallurgiste. La bibliographie a été complétée par des ouvrages parus depuis la première édition, et qui témoignent de la vitalité de la discipline au niveau international. En outre, à la demande de l’éditeur, nous avons ajouté en ﬁn de chaque partie un choix de questions et d’exercices de niveaux de difﬁculté variés, avec de brèves réponses, les solutions détaillées et des compléments au cours se trouvant sur le site WEB de l’éditeur. Nous espérons qu’ainsi révisé, cet ouvrage continuera à rendre service à la commu- nauté francophone. VI • © Dunod – La photocopie non autorisée est un délit. Remerciements Les auteurs tiennent à exprimer leurs plus sincères remerciements à tous ceux, indus- triels, enseignants et chercheurs, qui leur ont communiqué des informations et les ont autorisés à reproduire ici leurs documents ainsi qu’à tous les collègues qui ont accepté par des discussions et des relectures de les aider dans la rédaction de cet ouvrage. Nous tenons à remercier plus particulièrement messieurs P.V. Riboud, J.-M. Steiler et J.-H. Schmitt de l’IRSID, J.-F. Wadier, M. Leroy et J. Courbon du centre de recher- ches de Voreppe de la Sté Péchiney, B. Champin du centre de recherches de la Sté Cezus, J.-C. Muratet et P.-H. Galvin de la Sté Péchiney-Électrométallurgie, G. Henry, les professeurs F. Gesmundo, R. Pelloux, A. Pineau, D. François, M. Gupta ainsi que les collègues du laboratoire de métallurgie structurale de l’université de Paris-Sud Orsay spécialement L. Priester, M. Aucouturier, R. Penelle, C. Servant, E. Jollès. Nos remer- ciements vont également à mesdames F. Nicol, B. Dubois, M. Adrien et Y. Potier pour leur travail sur le manuscrit, ainsi qu’à madame M.J. Matejewski pour la réalisation d’une grande partie de l’illustration. Remerciements pour la seconde édition Nous tenons à remercier les nombreux collègues qui nous ont fait part de leurs remar- ques et suggestions, spécialement Thierry Baudin, Olivier Hardouin Duparc, Jacques Cazaux, Mathieu Kandel, Philippe Maugis, Daniel Monceau, Frank Montheillet, Richard Penelle, Claude Perot, André Pineau, Denis Solas, Michel Suéry. Nous remercions enﬁn les Éditions Dunod pour l’intérêt qu’elles ont pris à cet ouvrage et pour le soin apporté à cette nouvelle édition. Les auteurs Redigé avec le concours du ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche. © Dunod – La photocopie non autorisée est un délit. Table des matières AVANT-PROPOS III REMERCIEMENTS V REMERCIEMENTS POUR LA SECONDE ÉDITION V PARTIE 1 MÉTALLURGIE EXTRACTIVE INTRODUCTION 3 CHAPITRE 1 • LES PROCÉDÉS INDUSTRIELS D’ÉLABORATION DES MÉTAUX ET ALLIAGES 6 1. Introduction 6 2. Élaboration de l’acier (Chapitres I.9. et I.10.) 9 3. Élaboration de l’aluminium (Chapitre I.11.) 11 4. Élaboration du nickel (Chapitre I.12.) 11 5. Élaboration du cuivre (Chapitre I.13.) 14 6. Élaboration du zinc (Chapitre I.14.) 15 7. Élaboration du titane et du zirconium (Chapitre I.15.) 16 8. Les opérations unitaires et les transformations chimiques mises en jeu 18 VIII Table des matières CHAPITRE 2 • LES OPÉRATIONS UNITAIRES 21 1. Opérations de séparation « solide/solide » et « solide/fluide » 22 2. Opérations de séparation des constituants d’une phase fluide 24 3. Les opérations unitaires chimiques et les réacteurs en pyrométallurgie 26 4. Les opérations unitaires chimiques et les réacteurs en hydrométallurgie 38 CHAPITRE 3 • THERMODYNAMIQUE DES TRANSFORMATIONS PYROMÉTALLURGIQUES (I) : TRANSFORMATION DE PARTICULES SOLIDES 40 1. Données thermodynamiques sur les réactions de formation des oxydes, sulfures, chlorures 40 2. Réduction des oxydes 46 3. Grillage des sulfures 54 4. Chloruration des oxydes 57 CHAPITRE 4 • THERMODYNAMIQUE DES TRANSFORMATIONS PYROMÉTALLURGIQUES (II ) : TRANSFORMATIONS EN PHASE LIQUIDE 60 1. Réactions de réduction d’oxydes à l’état liquide et d’affinage de métal ou de matte liquide 60 2. Les réactions de réduction d’oxydes par carbothermie 64 3. Réactions de conversion 64 4. Réactions métal-laitier et matte-laitier 72 5. Réactions de désoxydation 78 6. Thermodynamique des solutions liquides métalliques 79 7. Thermodynamique des mattes 83 8. Thermodynamique des laitiers 84 9. Application : Calcul du taux de désulfuration de l’acier 88 10. Application : décarburation de la fonte 89 11. Réactions de dégazage 90 CHAPITRE 5 • THERMODYNAMIQUE DES TRANSFORMATIONS HYDROMÉTALLURGIQUES 97 1. Les réactions de l’hydrométallurgie 98 2. Bases thermodynamiques 102 CHAPITRE 6 • CINÉTIQUE DES TRANSFORMATIONS (I) DE PARTICULES SOLIDES 107 1. Cinétique des transformations de particules solides 108 2. Cinétique des opérations de précipitation 122 CHAPITRE 7 • CINÉTIQUE DES TRANSFORMATIONS (II) : TRAITEMENT DU MÉTAL LIQUIDE 124 1. Cinétique des réactions d’oxydation directe 124 2. Cinétique des réactions métal-laitier 127 3. Cinétique des opérations de dégazage 130 Table des matières IX © Dunod – La photocopie non autorisée est un délit. CHAPITRE 8 • BASES THERMODYNAMIQUES ET CINÉTIQUES DES OPÉRATIONS ÉLECTROMÉTALLURGIQUES 133 1. Introduction - loi de Faraday 133 2. Bases fondamentales des procédés électrométallurgiques 136 3. Électrolyse en solution aqueuse 142 4. L’électroraffinage 146 5. L’électrolyse ignée ou en sels fondus 148 CHAPITRE 9 • LE HAUT FOURNEAU : L’ÉLABORATION DE LA FONTE 150 1. Les filières d’élaboration du métal primaire 150 2. Description du haut-fourneau et de son fonctionnement 152 3. Les phénomènes mis en jeu et les processus élémentaires 156 4. Modélisation et conduite du haut-fourneau 163 CHAPITRE 10 • L’ÉLABORATION DE L’ACIER À PARTIR DE FONTE 172 1. Les étapes de l’affinage et les modes de conversion 172 2. Réactions chimiques mises en jeu 175 3. Cinétique de la décarburation 182 4. Calcul des enfournements 183 5. Les opérations de « métallurgie secondaire » 186 CHAPITRE 11 • L’ÉLABORATION DE L’ALUMINIUM 187 1. Extraction de l’alumine de la bauxite par le procédé Bayer 187 2. Électrolyse de l’alumine 190 3. Métallurgie secondaire/traitement du métal liquide 202 CHAPITRE 12 • L’ÉLABORATION DU NICKEL 204 1. Pyrométallurgie des minerais sulfurés 206 2. Pyrométallurgie des minerais oxydés 208 3. Pyrométallurgie de la matte de nickel 210 4. Électrolyse de la matte de nickel 211 5. Hydro-électrométallurgie de la matte de nickel avec purification par extraction par solvants 212 6. Hydrométallurgie des minerais sulfurés 213 7. Pyrométallurgie de mattes riches en nickel. Procédé nickel-carbonyle 215 CHAPITRE 13 • L’ÉLABORATION DU CUIVRE 218 1. Traitement des minerais sulfurés 219 2. Traitement des minerais oxydés 224 X Table des matières CHAPITRE 14 • L’ÉLABORATION DU ZINC 225 1. Pyrométallurgie 225 2. Hydro-électrométallurgie 229 CHAPITRE 15 • ÉLABORATION DU TITANE ET DU ZIRCONIUM 233 1. Présentation générale 233 2. Analyse des opérations unitaires 234 3. Métallurgie secondaire 239 CHAPITRE 16 • L’ÉLABORATION DU MAGNÉSIUM 240 1. Le procédé électrolytique 241 2. Pyrométallurgie de la magnésie 243 PARTIE 2 MÉTALLURGIE PHYSIQUE CHAPITRE 1 • uploads/Ingenierie_Lourd/ feuille-tage 7 .pdf