Métallurgie et sidérurgie
La métallurgie consiste à obtenir un métal à partir de son oxyde, puis à affiner le métal brut. Cette industrie utilise donc les connaissances de la thermodynamique des réactions solide / gaz ( \(\textrm O_2\) en particulier). Historiquement, les premières méthodes n'ont consisté qu'à effectuer un chauffage. Ceci n'était possible que pour des métaux relativement peu réducteurs, car la température limite de réduction augmente avec le caractère réducteur. La seconde stratégie a consisté à baisser la pression d'oxygène dans le four pour ramener la température limite de réduction vers des valeurs plus basses. Pour cela, on peut effectuer un confinement, c'est-à-dire limiter l'apport d'\(\textrm O_2\), et on peut également se placer en atmosphère réductrice grâce au coke (carbone), qui vient capter l'oxygène préférentiellement au métal.
C'est le cas du fer, qui est le métal le plus utilisé par l'industrie. La sidérurgie (métallurgie du fer) s'est développée par grandes étapes. Après une période où la production a été directe, à l'aide de la réaction suivante :
\(\textrm{Fe}_2\textrm O_3+3.\textrm C\to 2\textrm{Fe}+3.\textrm{CO}\)
on est passé à une stratégie indirecte, passant par la fonte, qui est un carbure de fer, que l'on décarbure dans un second temps.
Grâce aux apports scientifiques des chimistes français H. Le Châtelier et G. Chaudron, la technologie actuelle du haut fourneau a été développée (cf. photo).
Le minerai (\(\textrm{Fe}_2\textrm O_3\)) est introduit par le haut du four (\(\approx300 °\textrm C\)) ainsi que le coke \(\textrm C\) et le fondant (\(\textrm{CaCO}_3\)). L'air chaud est injecté en partie basse du four. Le coke est progressivement oxydé en un mélange \(\textrm{CO/CO}_2\). Au cours du mouvement descendant du minerai, le gaz au contact s'enrichit en \(\textrm{CO}\) et s'appauvrit en \(\textrm{CO}_2\) comme le montre la figure suivante. C'est \(\textrm{CO}\) qui est le réducteur principal dans le fourneau. Les réactions de réduction des oxydes (\(\textrm{Fe}_2\textrm O_3\) puis \(\textrm{Fe}_3\textrm O_4\) puis enfin \(\textrm{FeO}\)) conduisent à la formation du fer puis de la cémentite \(\textrm{Fe}_3\textrm C\) et enfin de la fonte (alliage fer-cémentite contenant plus de carbone) dans la zone la plus chaude.
