Bibliographie & annexes
Présentation
Auteur(s)
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André RIST : Ingénieur des Arts et Manufactures - Professeur de Métallurgie extractive à l’École Centrale des Arts et Manufactures - Ingénieur-Conseil à l’IRSID
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Marie-Françoise ANCEY-MORET : Licenciée ès Sciences - Ingénieur à l’IRSID (St-Germain-en-Laye)
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Christian GATELLIER : Ingénieur de l’École Nationale Supérieure de Chimie de Toulouse - Docteur-Ingénieur - Ingénieur au Département de Physico-Chimie Métallurgique de l’IRSID (Maizières-lès-Metz)
-
Paul Victor RIBOUD : Ingénieur Civil des Mines de Nancy - Docteur ès Sciences - Adjoint au Chef du Département de Physico-Chimie Métallurgique de l’IRSID (Maizières-lès-Metz)
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Lire l’articleINTRODUCTION
La thermodynamique appliquée aux réactions métallurgiques permet de résoudre plusieurs types de problèmes dont dépendent dans une très large mesure :
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la qualité et la quantité du métal produit ;
-
la nature et la quantité des diverses matières nécessaires à son élaboration ;
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la nature et la quantité de l’énergie mise en jeu ;
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le choix des procédés d’élaboration et de leurs conditions opératoires.
À l’aide des fonctions d’état qu’elle définit et de ses deux principes fondamentaux classiques, la thermodynamique permet en effet de calculer les quantités de matière, de chaleur et de travail échangées entre différents systèmes dans des conditions déterminées, et de trouver les conditions qui annulent ces échanges (équilibre) ou leur donnent un sens déterminé. Le métallurgiste l’utilisera donc lorsqu’il s’agira pour lui :
-
de prévoir les réactions possibles ou impossibles dans des conditions que tantôt il choisit, tantôt il subit ;
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de prévoir la composition, la température et la pression des phases au terme des réactions possibles, c’est-à-dire à l’équilibre ;
-
de prévoir les consommations d’énergie associées aux transformations qu’il veut produire.
Les lois de la thermodynamique sont indépendantes du temps et il faut recourir à la cinétique pour connaître la durée des transformations, mais la connaissance de l’équilibre que donne la thermodynamique joue un rôle de premier plan en métallurgie à haute température car il est souvent atteint, au moins localement au contact entre phases, et, lorsqu’il ne l’est pas, il intervient dans les lois cinétiques.
Dans les problèmes qui sont de son ressort, la thermodynamique métallurgique fait usage d’une quantité considérable d’informations expérimentales issues du laboratoire, qui, traduites dans son langage, forment un corps de données organisées et faciles à mettre en œuvre.
Le présent article offre à l’ingénieur sidérurgiste :
-
quelques rappels sur le langage thermodynamique ;
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une sélection des données numériques les plus utiles dans l’élaboration de la fonte et de l’acier ;
-
de nombreux exemples d’application donnant, pour des cas précis, le mode d’emploi des données et illustrant le type de problèmes qu’elles permettent de résoudre.
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Présentation
Présentation des données thermodynamiques d’intérêt sidérurgique1. Équilibres sidérurgiques. Application des principes de la thermodynamique
Les phases en présence dans l’élaboration de la fonte et de l’acier sont presque toujours des solutions :
-
solutions solides avec les minerais, les réfractaires, le métal solidifié ;
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solutions liquides avec la fonte, l’acier et les laitiers en fusion ;
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solutions gazeuses avec les atmosphères de toutes sortes.
La recherche des équilibres fait appel aux notions thermodynamiques spécialement adaptées pour traiter ces systèmes : enthalpie libre, potentiel chimique, activité, etc. (article Thermodynamique chimique. Application aux équilibres complexes [A 226] dans le traité Sciences fondamentales). Ce paragraphe précise la signification physique de ces notions, montre comment on les met en œuvre sur des exemples sidérurgiques et souligne les besoins en données numériques expérimentales.
1.1 Système intégral
Le système réel qui contient toutes les phases et tous les constituants en jeu dans le problème posé est appelé système intégral (par opposition aux systèmes différentiel et dérivé, respectivement définis aux paragraphes 1.3 et 1.4. Il est supposé maintenu à température T et pression P constantes grâce à ses échanges avec un milieu extérieur qui joue le rôle de réservoir de chaleur et de travail des forces de pression (four, atmosphère du four). Ainsi, tout déséquilibre dans le système intégral est de nature chimique et provoque une redistribution de matière entre les phases (système hétérogène) ou entre les molécules d’une même phase (système homogène, en général gazeux en sidérurgie). On sait que l’équilibre lie (ou détermine) les compositions des phases et non leurs masses.
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Équilibres sidérurgiques. Application des principes de la thermodynamique
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - KUBASCHEWSKI (O.), EVANS (E.L.), ALCOCK (C. B.) - Metallurgical thermochemistry. - 504 p., 14 × 22, 94 fig., 4e éd., Pergamon Press (1967) (*).
-
(2) - JANAF - Thermochemical tables. - 2e édition, United States Dept. Commerce, National Bureau of Standards (1971) (*).
-
(3) - BARIN (I.), KNACKE (O.) - Thermochemical properties of inorganic substances. - 975 p., Springer Verlag (1973) (*).
-
(4) - ELLIOTT (J. F.), GLEISER (M.), RAMAKRISNA (V.) - Thermochemistry for steelmaking. - Vol. I, Addison-Wesley Publ. Co. (1960) (*).
-
(5) - ELLIOTT (J.F.), GLEISER (M.), RAMAKRISNA (V.) - Thermochemistry for steelmaking. - Vol. II, Addison-Wesley Publ. Co. (1963) (*).
-
(6) - SCHICK (H. L.) - Thermodynamics of certain refractory compounds. - Vol. 1 : Discussion of theoretical...
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