Karamö, le prof virtuelLeçon 9 sur 26
Le haut fourneau
Je sais décrire le fonctionnement d'un haut fourneau, écrire les réactions qui transforment le minerai de fer en fonte et calculer les masses et volumes mis en jeu.
- 55 min
- 5 exercices corrigés
- 3 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire le haut fourneau, ses matières premières et ses produits
- Écrire les réactions chimiques qui s'y déroulent (combustion du coke, formation du CO, réduction des oxydes de fer, rôle de la castine)
- Distinguer la fonte et l'acier et expliquer l'affinage
- Calculer la masse de fer produite et le volume de gaz nécessaire
Avant de commencer : L'oxydoréduction et l'importance industrielle de la réduction des oxydes (leçon précédente) ; les minerais de fer Fe₂O₃ et Fe₃O₄ ; la mole, la masse molaire et le volume molaire.
1Je découvre
À Beyla, en Guinée forestière, Kadiatou visite avec sa classe un vieil atelier de forgerons. Le doyen leur montre les restes d'un ancien fourneau en terre, haut comme un homme. Il raconte qu'autrefois on y entassait des morceaux de minerai de fer et du charbon de bois, on soufflait de l'air par des ouvertures à la base, et, après de longues heures, on retirait une masse spongieuse de fer mêlée de scories, que l'on martelait longuement.
Le professeur de sciences ajoute : « Aujourd'hui, dans les grands pays producteurs d'acier, on utilise le même principe, mais en immense. Un haut fourneau mesure plusieurs dizaines de mètres, fonctionne jour et nuit pendant des années, et il en sort du fer liquide. Le minerai de fer de nos montagnes, comme celui de Simandou, est destiné à ces usines. »
Kadiatou se demande comment un tel appareil peut transformer des cailloux rouges en métal liquide, et à quoi sert chacune des matières qu'on y met.
Comment fonctionne un haut fourneau, et quelles réactions chimiques transforment le minerai de fer en fonte ?
2Je comprends
1. Description du haut fourneau
Le haut fourneau est un grand four vertical, en forme de double tronc de cône, construit en acier et garni à l'intérieur de briques réfractaires (qui résistent à des températures très élevées). Il mesure souvent 30 m de haut ou plus.
- En haut, le gueulard : on y verse la charge par couches successives et on y récupère les gaz.
- Au milieu, la cuve : la charge y descend lentement et s'échauffe.
- En bas, les tuyères : elles insufflent de l'air chaud, préchauffé vers 1 000 °C.
- Tout en bas, le creuset : la fonte liquide et le laitier s'y accumulent ; on les évacue par des trous de coulée.
2. Les matières premières
| Matière | Composition | Rôle |
|---|---|---|
| Minerai de fer | oxydes de fer (Fe2O3, Fe3O4) + gangue (surtout silice SiO2) | fournit le fer |
| Coke | carbone presque pur, tiré du charbon | combustible (chaleur) et source du réducteur CO |
| Castine | calcaire, carbonate de calcium CaCO3 | fondant : élimine la gangue sous forme de laitier |
| Air chaud | dioxygène et diazote | permet la combustion du coke |
3. Les réactions chimiques
La charge descend et les gaz chauds montent : c'est un échange à contre-courant. De bas en haut, plusieurs réactions se produisent.
- 1Près des tuyères (vers 2 000 °C), le coke brûle dans l'air chaud et dégage beaucoup de chaleur : C + O₂ → CO₂.
- 2Un peu plus haut, le dioxyde de carbone traverse le coke incandescent et forme le réducteur : CO₂ + C → 2 CO.
- 3Dans la cuve, le monoxyde de carbone réduit les oxydes de fer, étape par étape, jusqu'au fer : bilan Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂.
- 4La castine se décompose : CaCO₃ → CaO + CO₂ ; la chaux formée réagit avec la silice de la gangue : CaO + SiO₂ → CaSiO₃ (laitier).
- 5Le fer fond en absorbant du carbone : il devient de la fonte, qui coule dans le creuset.
- 6Le laitier, plus léger, flotte sur la fonte ; les gaz sortent par le gueulard.
a) La combustion du coke : C + O2 → CO2. Cette réaction est très exothermique : elle fournit la chaleur de tout le haut fourneau.
b) La formation du monoxyde de carbone : CO2 + C → 2CO. Le coke étant en excès, le CO2 est transformé en CO, qui est le vrai réducteur du haut fourneau. En additionnant les deux réactions, on obtient la combustion incomplète : 2C + O2 → 2CO.
c) La réduction des oxydes de fer : elle se fait par étapes dans la cuve.
- 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2 (vers le haut de la cuve)
- Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2
- FeO + CO → Fe + CO2 (plus bas, là où il fait plus chaud)
Bilan : Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2. L'oxyde de fer est l'oxydant (il est réduit), le monoxyde de carbone est le réducteur (il est oxydé).
d) Le rôle de la castine : la gangue (silice) ne fond pas seule à ces températures. La castine la transforme en un silicate de calcium qui fond facilement : le laitier. Sans castine, la gangue boucherait le haut fourneau.
4. Les produits du haut fourneau
- La fonte : fer contenant environ 2 à 5 % de carbone et un peu d'autres éléments (silicium, manganèse…). Elle sort liquide, vers 1 500 °C. Elle est dure mais cassante ; elle se moule bien : on en fait des marmites en fonte, des plaques d'égout, des blocs moteurs. La plus grande partie est transformée en acier.
- Le laitier : plus léger, il flotte sur la fonte et est évacué séparément. Refroidi, il sert à fabriquer du ciment ou des matériaux pour les routes.
- Les gaz du gueulard : ils contiennent encore du CO combustible. On les brûle pour préchauffer l'air envoyé aux tuyères : c'est une économie d'énergie.
5. De la fonte à l'acier : l'affinage
L'acier est un alliage de fer contenant moins de 2 % de carbone (souvent moins de 1 %). Il est à la fois résistant et malléable (on peut le laminer, le plier, le forger) : fers à béton, tôles, rails, outils, carrosseries.
Pour passer de la fonte à l'acier, on doit enlever une grande partie du carbone : c'est l'affinage. Dans un convertisseur, on insuffle du dioxygène pur dans la fonte liquide ; le carbone est oxydé et s'échappe sous forme de gaz : 2C + O2 → 2CO (et C + O2 → CO2).
- 2 à 5 % de carbone environ
- Dure mais cassante
- Se moule bien
- Marmites, plaques d'égout
- Moins de 2 % de carbone
- Résistant et malléable
- Se lamine, se forge, se soude
- Fers à béton, tôles, rails, outils
6. Calculs sur le haut fourneau
Méthode
Pour un calcul sur le haut fourneau :
- Je calcule la masse d'oxyde pur contenue dans le minerai (masse de minerai × pourcentage).
- Je convertis en moles : n = m / M (M(Fe₂O₃) = 160 g/mol), en convertissant les tonnes ou kilogrammes en grammes.
- J'utilise l'équation Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂ : n(Fe) = 2 n(Fe₂O₃) et n(CO) = 3 n(Fe₂O₃).
- Je calcule la masse de fer (m = n × 56) et le volume de gaz (V = n × Vm).
- Si on demande la masse de fonte, je divise la masse de fer par la proportion de fer dans la fonte.
Exemple
Quelle masse de fer peut-on obtenir à partir de 320 kg d'oxyde de fer III ? Quel volume de monoxyde de carbone faut-il ? (Fe = 56 ; O = 16 ; Vm = 22,4 L/mol)
n(Fe₂O₃) = 320 000 / 160 = 2 000 mol.
n(Fe) = 2 × 2 000 = 4 000 mol ; m(Fe) = 4 000 × 56 = 224 000 g = 224 kg.
n(CO) = 3 × 2 000 = 6 000 mol ; V(CO) = 6 000 × 22,4 = 134 400 L = 134,4 m³.
Exemple
Dans le haut fourneau, on décompose 10 kg de castine (CaCO₃ pur). Quelle masse de chaux obtient-on ? Quel volume de CO₂ se dégage ? (Ca = 40 ; C = 12 ; O = 16)
CaCO₃ → CaO + CO₂. M(CaCO₃) = 40 + 12 + 48 = 100 g/mol ; n = 10 000 / 100 = 100 mol.
n(CaO) = 100 mol ; M(CaO) = 56 g/mol ; m(CaO) = 5 600 g = 5,6 kg.
n(CO₂) = 100 mol ; V(CO₂) = 100 × 22,4 = 2 240 L = 2,24 m³.
Contrôle : m(CO₂) = 100 × 44 = 4,4 kg ; 5,6 + 4,4 = 10 kg. Juste.
3Je retiens
Je retiens
Le haut fourneau transforme le minerai de fer en fonte ; on y charge par le gueulard du minerai, du coke et de la castine ; l'air chaud arrive par les tuyères.
Combustion du coke : C + O₂ → CO₂ ; formation du réducteur : CO₂ + C → 2 CO.
Réduction du minerai : Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂ (CO est le réducteur).
La castine (CaCO₃) élimine la gangue : CaCO₃ → CaO + CO₂ puis CaO + SiO₂ → CaSiO₃ (laitier).
Produits : fonte (2 à 5 % de carbone), laitier, gaz du gueulard (qui préchauffent l'air).
Acier : moins de 2 % de carbone ; on l'obtient par affinage de la fonte au dioxygène.
4Erreurs fréquentes
- Dire que c'est le carbone solide qui réduit directement tout le minerai : dans la cuve, le principal réducteur est le gaz CO.
- Confondre fonte et acier : la fonte contient plus de carbone, elle est cassante ; l'acier en contient moins, il est malléable.
- Croire que la castine sert de combustible : c'est un fondant qui élimine la gangue sous forme de laitier.
- Oublier le coefficient 2 devant Fe : 1 mol de Fe₂O₃ donne 2 mol de fer.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Nomme les trois matières solides introduites par le gueulard et donne le rôle de chacune. Par où l'air est-il introduit ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
Le minerai de fer fournit le fer (oxydes de fer). Le coke est le combustible qui fournit la chaleur et produit le réducteur CO. La castine (calcaire) est un fondant qui élimine la gangue en formant le laitier. L'air chaud est introduit à la base par les tuyères.
2Exercice 2
Écris l'équation-bilan :
a) de la combustion du coke près des tuyères ;
b) de la formation du monoxyde de carbone ;
c) de la réduction de l'oxyde de fer III par le monoxyde de carbone ;
d) de la décomposition de la castine.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) C + O2 → CO2.
b) CO2 + C → 2CO.
c) Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2.
d) CaCO3 → CaO + CO2.
3Exercice 3
Réponds par vrai ou faux et corrige les affirmations fausses.
a) La fonte contient moins de carbone que l'acier.
b) Le laitier flotte sur la fonte liquide.
c) Les gaz du gueulard sont rejetés sans être utilisés.
d) L'affinage de la fonte consiste à brûler une partie de son carbone.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Faux : la fonte contient plus de carbone (2 à 5 % environ) que l'acier (moins de 2 %).
b) Vrai : le laitier est moins dense que la fonte.
c) Faux : ils contiennent du CO ; on les brûle pour préchauffer l'air envoyé aux tuyères.
d) Vrai : le carbone est oxydé par le dioxygène et s'échappe sous forme de gaz.
4Exercice 4
Dans la réaction Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2 :
a) Vérifie que l'équation est équilibrée.
b) Indique l'oxydant et le réducteur.
c) Calcule la masse de fer obtenue à partir de 23,2 kg de Fe3O4 (Fe = 56 ; O = 16).
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) À gauche : Fe : 3 ; O : 4 + 4 = 8 ; C : 4. À droite : Fe : 3 ; C : 4 ; O : 4 × 2 = 8. L'équation est équilibrée.
b) L'oxydant est Fe3O4 (il perd son oxygène, il est réduit) ; le réducteur est CO (il gagne de l'oxygène, il est oxydé).
c) M(Fe3O4) = 3 × 56 + 4 × 16 = 232 g/mol ; n = 23 200232 = 100 mol.
n(Fe) = 3 × 100 = 300 mol ; m(Fe) = 300 × 56 = 16 800 g = 16,8 kg.
5Exercice 5
(Type BEPC) On introduit dans un haut fourneau 2 tonnes de minerai contenant 60 % en masse d'oxyde de fer III Fe2O3. On donne : Fe = 56 ; O = 16 ; C = 12 ; Vm = 22,4 L/mol.
a) Calcule la masse de Fe2O3 contenue dans le minerai.
b) Écris l'équation de la réduction de Fe2O3 par le monoxyde de carbone.
c) Calcule la masse de fer obtenue.
d) Calcule le volume de monoxyde de carbone nécessaire, puis la masse de carbone contenue dans ce monoxyde de carbone.
e) La fonte produite contient 96 % de fer en masse. Calcule la masse de fonte obtenue.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) m(Fe2O3) = 2 × 0,60 = 1,2 t = 1,2 × 106 g.
b) Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2.
c) n(Fe2O3) = 1,2 × 106160 = 7 500 mol ; n(Fe) = 2 × 7 500 = 15 000 mol.
m(Fe) = 15 000 × 56 = 840 000 g = 840 kg.
d) n(CO) = 3 × 7 500 = 22 500 mol ; V(CO) = 22 500 × 22,4 = 504 000 L = 504 m³.
Chaque molécule de CO contient un atome de carbone : n(C) = 22 500 mol ; m(C) = 22 500 × 12 = 270 000 g = 270 kg.
e) m(fonte) = 8400,96 = 875 kg.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
Choisis une réponse pour chaque question : la correction s’affiche aussitôt.
Crée ton compte élève gratuit pour cocher les leçons terminées, suivre ta progression et gagner des points au QCM.
