Fer - Définition

Utilisation

Le fer n'est pratiquement pas utilisé à l'état pur (il est utilisé à l'état pur pour résoudre certains problèmes de soudabilité, notamment sur aciers inoxydables).

C'est le principal élément entrant dans la composition de l'acier.

L'appellation "fil de fer" ne signifie en rien fil en fer pur, les fils de fer sont en fait fabriqués en acier doux, très malléable.

Le fer métallique et ses oxydes sont utilisés depuis des décennies pour fixer des informations analogiques ou numériques sur des supports appropriés (bandes magnétiques, cassettes audio et vidéo, disquettes). L'usage de ces matériaux est cependant désormais supplanté par des composés possédant une meilleure permittivité, par exemple dans les disques durs.

Dans l'alimentation

Le fer est un oligo élément et fait partie des sels minéraux indispensables qu'on retrouve dans les aliments, mais peut être toxique sous certaines formes. Une carence en fer est source d'anémie et peut affecter le développement cognitif et socio-émotionionnel du cerveau de l'enfant ou exacerber les effets de certaines intoxications (saturnisme par ex).

Le fer est essentiel au transport de l'oxygène et à la formation des globules rouges dans le sang. Il est un constituant essentiel des mitochondries, puisqu'il entre dans la composition du hème du cytochrome C. Il joue aussi un rôle dans la fabrication de nouvelles cellules, d'hormones et de neurotransmetteurs. Le fer contenu dans les végétaux (fer dit « non héminique ») Fe³⁺ ou fer ferrique est moins bien absorbé par l'organisme que celui contenu dans les aliments crus d'origine animale (fer « héminique ») Fe²⁺ ou fer ferreux. La cuisson des viandes transforme une partie du fer héminique en fer non héminique, moins biodisponible. Toutefois, l'absorption du fer est favorisée si on le consomme avec certains nutriments, comme la vitamine C ou le jus de citron. Mettre du jus de citron sur ses aliments est donc une excellente habitude culinaire si l'on manque de fer ; par contre, un complément en vitamine C est inutile si l'on ne souffre pas de carence en vitamine C (la carence extrême est le scorbut), même si cela ne peut pas mener à une hypervitaminose puisque la Vitamine C est hydrosoluble (et donc son surplus s'élimine par la sudation, la voie urinaire).

En revanche son absorption est inhibée par la consommation de thé et/ou de café car les tanins (polyphénols) sont des chélateurs de fer. Les buveurs de thé en très grande quantité ont donc parfois des anémies ferriprives.

L'accumulation de fer dans l'organisme entraîne la mort cellulaire. Des chercheurs de l'Inserm suspectent, à cause de cela, que l'excès de fer pourrait être impliqué dans la dégénérescence des neurones chez les patients atteints de la maladie de Parkinson.

En pharmacie

Le fer est utilisé pour la préparation de médicaments. Du XVII^e siècle au début du XX^e siècle, il était l'un des principaux composants des boules d'acier vulnéraires, boules de Nancy, boules de Molsheim, boules minérales des Chartreux, qu'on faisait tremper dans de l'eau pour la charger en substances réputées bénéfiques.

Métallurgie

Extraction

Le fer s'obtient industriellement en réduisant par le monoxyde de carbone (CO) provenant du carbone, les oxydes de fer contenus dans le minerai ; ceci peut être réalisé :

Depuis l'Âge du fer et jusqu'au XIX^e siècle dans certaines régions du monde : par réduction du minerai avec du charbon de bois dans un bas fourneau ou bas-foyer : on obtient, sans passer par une phase liquide, une masse hétérogène de fer et d'acier appelée « loupe », « massiot » ou « éponge de fer ». Cette masse de métal brute se forme en incorporant plus ou moins de scories (déchet minéral de la réduction) et de porosités. Afin de rendre le métal propre à l'élaboration d'objets, la « loupe » peut être brisée et triée par type de teneur en carbone ou plus simplement être directement compactée à la forge. Ce travail, dit d'épuration, varie en fonction des régions et des cultures techniques. Globalement, son principe consiste à évacuer la scorie et à souder les différentes parties de la masse de métal. On parle de cinglage pour l'étape consistant à marteler le métal à chaud pour évacuer la scorie et de corroyage pour désigner la fin de l'opération d'épuration, consistant à réaliser plusieurs passes à la forge en repliant et en soudant le métal sur lui-même.

C'est avec le développement des moulins et de la force hydraulique, que la lignée technique du haut-fourneau a pu se développer et s'est globalement imposée sur celle du bas-fourneau. La principale différence dans ce procédé est que la réduction des oxydes de fer se fait en même temps que la fusion. Le métal est produit en phase liquide, formant la fonte.

C'est en ajoutant de la silice au minerai à gangue calcaire, ou du calcaire au minerai à gangue siliceuse, que l'on est passé au haut fourneau: une proportion précise de silice et de calcaire donne un laitier fusible qui se sépare naturellement de la fonte liquide. L'absorption de carbone par le fer donne de la fonte liquide, dont sa température de fusion est au moins 200 °C plus basse que le fer.
Pendant longtemps les haut fourneaux ont fonctionné au charbon de bois. Le coke plus dur a permis de faire des hauts fourneaux beaucoup plus hauts mais produisant une fonte chargée en soufre.

Pour obtenir un métal forgeable, il faut affiner la fonte. Cette étape, réalisée dans une aciérie consiste essentiellement à décarburer la fonte pour obtenir un alliage plus faible en carbone : fer ou acier. La fonte est transformée en acier au convertisseur. Dans cette cuve, on souffle de l'oxygène sur la fonte pour en éliminer le carbone.
Si l'élimination du carbone par combustion avec l'oxygène est l'étape principale dans l'affinage de la fonte, l'aciérie va également :

• éliminer le soufre venant du coke chargé dans le haut-fourneau. En injectant du carbure de calcium, du magnésium et/ou de la soude, le soufre va former des oxydes qui vont flotter vers le laitier de la fonte. Ce laitier sera alors enlevé à l'aide d'un racloir.
• brûler le silicium dissous dans la fonte. Cette combustion est la première réaction chimique qui se produit dans un convertisseur. Elle est suivie immédiatement par la combustion du carbone.
• éliminer le phosphore venant du minerai. Comme le soufre, cet autre élément fragilisant, on procède par réaction avec de la chaux dans le convertisseur, pour former du PO qui, en allant dans le laitier, sera éliminé par séparation d'avec le fer liquide. La réaction de déphosphoration est la troisième et dernière réaction chimique recherchée dans le convertisseur

Le fer et ses alliages

Le fer est recyclable, mais son extraction n'est pas dénuée d'impact environnemental et énergétique (Mine de Erzberg, Styrie).

Dépôt de minerai de fer d'une usine sidérurgique.

la fonte et l'acier (1.000 Mt) sont les principaux alliages :

• la fonte contient de 2,1 % à 6,67 % de carbone ;
• l'acier contient de 0,025 % à 2,1 % de carbone ;
• en dessous de 0,025 % de carbone, on parle de fers industriels.

L'ajout de divers éléments d'additions permet d'obtenir des fontes et des aciers spéciaux, maisd l'élément ayant la plus forte incidence sur les propriétés de ces alliages reste le carbone.

Les aciers inoxydables doivent leurs propriétés de résistance à la corrosion par l'apport de chrome.

D'autres alliages ont été mis au point à des fins civiles ou militaires comme, par exemple, les ferro-manganèses, les ferro-nickels, le ferro-chromes, les intermétalliques Fe-Al ou encore les Fe-Cr-Al.

Industrie de l'extraction de minerais de fer

Les principaux producteurs de minerais de fer dans le monde sont, en 2008:

• BHP Billiton et Rio Tinto (39,6 % du marché mondial estimé en 2008, en cas de fusion)
• Vale (ex-CVRD) (Brésil) (35,7 %)
• Rio Tinto (24 % seul)
• BHP Billiton (16 % seul)
• Fortescue (5,4 %)
• Kumba (5,2 %)
• Autres (LKAB, SNIM, CVG Ferrominera, Hierro Peru, Kudremukh, CAP) (13,7%)

En 2007, la Chine produit un tiers de l'acier mondial et attire 50 % des exportations du minerai de fer.