Fer - Définition et Explications

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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’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction...).

L'appellation "fil de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le...)" 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 (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la...), disquettes). L'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) de ces matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) est cependant désormais supplanté par des composés possédant une meilleure permittivité (En électromagnétisme, la permittivité ε d'un matériau est le rapport D/E du...), 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 (L'anémie (du privatif an- et du grec ancien haimos, « sang ») est une...) et peut affecter le développement cognitif et socio-émotionionnel du cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite...) de l'enfant ou exacerber les effets de certaines intoxications (saturnisme par ex).

Le fer est essentiel au transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) de l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) et à la formation des globules rouges dans le sang (Le sang est un tissu conjonctif liquide formé de populations cellulaires libres, dont le...). Il est un constituant essentiel des mitochondries, puisqu'il entre dans la composition du hème du cytochrome C. Il joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) 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 ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...) du fer est favorisée si on le consomme avec certains nutriments, comme la vitamine C (La vitamine C est une vitamine hydrosoluble sensible à la chaleur et à la lumière.) ou le jus de citron (Le citron est un agrume, fruit du citronnier. Le citronnier (Citrus limon) est un arbuste de 5...). 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 (Une vitamine est une substance organique nécessaire (en dose allant du microgramme à...) 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 (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) ont donc parfois des anémies ferriprives.

L'accumulation de fer dans l'organisme entraîne la mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si...) 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 (La maladie de Parkinson est une maladie neurologique chronique affectant le système nerveux...).

En pharmacie (La pharmacie (du grec φάρμακον/pharmakôn...)

Le fer est utilisé pour la préparation de médicaments. Du XVIIe siècle au début du XXe 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 (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) pour la charger en substances réputées bénéfiques.

Métallurgie

Extraction

Le fer s'obtient industriellement en réduisant par le monoxyde de carbone (Le monoxyde de carbone est un des oxydes du carbone. Sa formule brute s'écrit CO et sa formule...) (CO) provenant du carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...), les oxydes de fer contenus dans le minerai ; ceci peut être réalisé :

Depuis l'Âge du fer et jusqu'au XIXe siècle dans certaines régions du monde : par réduction du minerai avec du charbon de bois (Le charbon de bois est obtenu en carbonisant du bois en atmosphère contrôlée (en...) dans un bas fourneau ou bas-foyer : on obtient, sans passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) par une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...), une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) hétérogène de fer et d'acier appelée « loupe », « massiot » ou « éponge de fer ». Cette masse de métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) 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 (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) hydraulique (L'hydraulique désigne la branche de la physique qui étudie les liquides. En tant que telle, les...), 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 (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) que la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...). Le métal est produit en phase liquide, formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) la fonte.

C'est en ajoutant de la silice (La silice est constituée de dioxyde de silicium, un composé chimique qui entre dans la...) au minerai à gangue calcaire, ou du calcaire au minerai à gangue siliceuse, que l'on est passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble...) au haut fourneau (Un haut fourneau est un four à combustion interne, destiné à la fabrication de la...): une proportion précise de silice et de calcaire donne un laitier fusible (Fusible signifie « qui peut fondre » : voir Fusion (physique).) qui se sépare naturellement de la fonte liquide. L'absorption de carbone par le fer donne de la fonte liquide, dont sa température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) 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 (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de...).

Pour obtenir un métal forgeable, il faut affiner la fonte. Cette étape, réalisée dans une aciérie (Une aciérie est une usine servant à produire de l'acier en grandes quantités,...) consiste essentiellement à décarburer la fonte pour obtenir un alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments...) 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 (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la...) 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 (Un carbure est un composé chimique du carbone avec un deuxième élément chimique...) de calcium (Le calcium est un élément chimique, de symbole Ca et de numéro atomique 20.), du magnésium (Le magnésium est un élément chimique, de symbole Mg et de numéro atomique 12.) 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 (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...) 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 (Le phosphore est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole P et...) 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'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque...) 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 (L'impact environnemental est l'ensemble des modifications de l'environnement, qu'elles soient...) 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 (Le chrome est un élément chimique de symbole Cr et de numéro atomique 24.).

D'autres alliages ont été mis au point (Graphie) 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 (Le mot monde peut désigner :) sont, en 2008:

  • BHP Billiton (BHP Billiton (NYSE : BHP, LSE : BLT, ASX : BHP) est un producteur de fer, de...) 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.

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