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RÉSUMÉ
L’approche de la thermodynamique métallurgique est basée sur des informations expérimentales issues de mesures d'équilibres calorimétriques ou électrochimiques, présentées sous forme d'enthalpies libres ou de potentiels chimiques. La sidérurgie traitant de la production de la fonte, du fer et des aciers, la thermodynamique appliquée aux réactions sidérurgiques a pour étude les problèmes liés à la réduction des minerais, les réactions entre métal et laitier et le comportement des réfractaires.
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Pierre PERROT : Professeur émérite, laboratoire de métallurgie physique - Université des Sciences et Technologies de Lille
INTRODUCTION
La sidérurgie étant consacrée à la production de la fonte, du fer et des aciers, les différents matériaux rencontrés par le sidérurgiste sont :
-
le minerai, généralement solide ;
-
le métal, liquide au moment de son élaboration, puis solide ;
-
le laitier, mélange d'oxydes liquides en équilibre avec le métal ;
-
les réfractaires qui peuvent réagir avec le métal ou le laitier ;
-
les gaz, même s'ils ne sont pas considérés comme un matériau.
La thermodynamique appliquée aux réactions sidérurgiques traite donc des points suivants :
-
problèmes liés à la réduction des minerais ;
-
réactions entre métal et laitier ;
-
comportement des réfractaires dans leur environnement ;
-
dissolution des gaz dans les métaux.
Ces trois derniers points, notamment, seront abordés dans deux articles ultérieurs [M7221] et [M7222].
Elle permet de définir les conditions optimales d'élaboration en fonction du matériau de départ, minerai ou ferrailles de récupération et des buts poursuivis : composition visée, teneur admissible en impuretés.
Les traitements thermiques ultérieurs, qui permettent d'affiner les propriétés mécaniques du matériau final, ne sont pas examinés dans le cadre de cet article qui ne traite que de la thermodynamique appliquée aux équilibres sidérurgiques.
Le présent article offre à l'ingénieur sidérurgiste quelques rappels thermodynamiques, une expression, en fonction de la température, des enthalpies libres de transition et de vaporisation des éléments, ainsi qu'une expression des enthalpies libres d'excès de mélange pour les principales solutions métalliques.
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Thermodynamique appliquée à la sidérurgie
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1. Thermodynamique appliquée à la sidérurgie
À l'aide des fonctions d'état qu'elle définit et de ses principes fondamentaux, la thermodynamique permet en effet de répondre à trois types de questions :
-
étant donné un système dans un état initial bien déterminé et soumis à des contraintes précises, que l'on laisse évoluer librement, quel sera son état final lorsque l'équilibre sera atteint ?
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étant donné un système dans un état initial bien déterminé, que l'on veut faire évoluer vers un état final également bien déterminé, quel est le meilleur chemin à suivre pour effectuer la transformation ?
-
une transformation donnée (états initial et final imposés) sous des contraintes (par exemple de composition, de pression et de température) bien définies, est-elle possible ou impossible ?
L'énoncé de ces trois questions montre que l'on ne peut imposer à la fois l'état initial (par exemple la magnétite), l'état final (par exemple le fer métal), et les contraintes (par exemple la température, la pression et la composition de l'atmosphère gazeuse), que ces contraintes soient imposées ou subies par le sidérurgiste. S'il en est ainsi, la thermodynamique ne peut que répondre à la troisième question en énonçant : « la transformation, possible, peut se faire spontanément » ou bien « la transformation, thermodynamiquement impossible ne se fera pas ».
Dire qu'une réaction est thermodynamiquement possible ne veut pas dire qu'elle s'effectuera en un temps raisonnable. Seule la cinétique peut répondre à la question « en combien de temps ? ».
Heureusement, en sidérurgie, les températures mises en jeu sont suffisamment élevées pour que les équilibres s'établissent spontanément à l'échelle humaine.
Dans les problèmes qui sont de son ressort, la thermodynamique métallurgique fait usage d'informations expérimentales issues de mesures directes d'équilibres ou, le plus souvent, de mesures indirectes, calorimétriques ou électrochimiques. Traduites en langage thermodynamique, elles se présentent sous forme d'enthalpies libres ou de potentiels chimiques faciles à mettre en œuvre dans les calculs d'équilibres.
1.1 Caractéristiques d'un mélange
La matière...
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BIBLIOGRAPHIE
-
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(4) - TEMKIN (M.) - Mixtures of fused salts as ionic solutions - Acta Phys. Chem. USSR, 20, p. 411-420 (1945).
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(5) - DARKEN (L.S.), GURRY (R.W.) - The system iron-oxygen. II. Equilibrium and thermodynamics of liquid oxide and other phases - J. Am. Chem. Soc., 68, p. 798-816 (1946).
-
(6) - REDLICH (O.), KISTER (A.T.) - Algebraic representation of thermodynamic properties and the classification of solutions - Industr. Eng. Chem., 40,...
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