Épreuve sur le fer

TABLE DES MATIÈRES
I Métallurgie du fer 3
A. Généralités 3
A.I Température de amme ............................ 4
A.II Ascension du gaz et réduction du fer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
B. Modélisation du haut-fourneau 7
B.I Balance stœchiométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
B.II Bilanenthalpique................................ 9
B.III Combinaison des équations, développement du modèle . . . . . . . . . . 10
II Caractérisation des oxydes de fer 11
C. Structure cristallographique 11
D. Spectre UV-visible 11
E. Spectroscopie Mössbauer 13
E.I Étudequalitative ................................ 13
E.II Analyseduspectre ............................... 14
E.IIIÉtudequantitative ............................... 15
F. Isothermes d’absorption 18
F.I Isotherme de Langmuir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
F.I.1 Modèle de Langmuir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
F.I.2 Application ............................... 19
F.II Isotherme de Brunauer–Emmett–Teller (BET) . . . . . . . . . . . . . . . . 20
F.II.1 Modèle de Brunauer–Emmett–Teller . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
F.II.2 Application ............................... 21
III Corrosion du fer 23
G. Corrosion humide 23
G.I Diagramme de Pourbaix du fer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
G.II Relation de Butler-Volmer, droites de Tafel. . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
G.III Potentiel mixte, théorie de Wagner et Traud . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
H. Applications 26
H.I Détermination de la vitesse de corrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
H.II Effet de surface, corrosion galvanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
H.III Protection contre la corrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
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IV Diagrammes de phase du fer et propriétés mécaniques 28
I. Transformations isothermes 29
J. Propriétés mécaniques 30
K. Diagramme de refroidissement continu 32
Annexes 34
A Données thermodynamiques 34
B Diagrammes de Tanabe-Tsugano 35
C Potentiels standards, grandeurs thermodynamiques 36
D Constantes usuelles 36
E Évolution de la composition du gaz 37
F Diagramme de Rist 38
Le fer a été un des premiers éléments maîtrisé par l’homme, à tel point qu’il y a eu
un « âge du fer ». Il est un des éléments les plus utilisés en tonnage. La majorité du fer
sert avant tout à la production d’aciers en tout genre.
Au-delà de son utilisation industrielle, c’est un élément essentiel en biologie –
par exemple pour le transport de l’oxygène ou l’oxydation dans les cytochromes. La
grande variété des degrés d’oxydation accessibles et sa faible toxicité le rendent très
intéressant aussi bien en catalyse homogène qu’hétérogène.
Sa masse molaire est de 55,845 g.mol1. Il est l’élément ayant l’énergie de liaison
par nucléon la plus élevée et l’isotope le plus stable est 56Fe. Il fond à 1 538 °C.
Le sujet est composé de plusieurs parties largement indépendantes.
Toutes les réponses seront justiées et les résultats mis en valeur.
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Première partie
Métallurgie du fer
Dans cette partie, nous allons étudier la production du fer dans les hauts-fourneaux.
PRINCIPE DU HAUT-FOURNEAU
Les matériaux introduits sont :
– par le haut du haut-fourneau : une succession de couches minerai de fer / coke
/ calcaire ;
– par le bas du haut-fourneau, des tuyères injectent le « vent » constitué essentiel-
lement d’air, éventuellement enrichi en oxygène ou avec des hydrocarbures.
Les matériaux récupérés en sortie sont :
– dans le creuset : de la fonte liquide (fer avec des impuretés, essentiellement du
carbone), et du laitier (mélange liquide de silice et d’oxydes) ;
– par le haut du haut-fourneau : du gaz essentiellement composé de mono- et di-
oxyde de carbone ainsi que de l’azote.
A. GÉNÉRALITÉS
1. Quel est l’élément chimique majoritaire qui compose le coke ?
2. Quelle est la première réaction chimique (A) qui a lieu lorsque le coke entre en
contact avec l’air pur ?
La réaction (A) entraîne une consommation totale de l’oxygène car l’oxygène est en
défaut.
3. Quelle réaction chimique (B) a lieu entre le gaz produit par la réaction (A) et le
coke ? On prendra le coefcient stœchiométrique devant le gaz produit par la ré-
action (A) égal à 1.
C’est le gaz produit par la réaction (B) qui est l’agent réducteur.
Le logarithme de la constante d’équilibre associée à l’équilibre (B) vaut :
log (KB)=9, 595 2, 24.104T9141
T(1)
4. Calculer la fraction molaire carbonacée :
xi=%i
%(CO)+%(CO2)i=CO, CO2(2)
de mono et di-oxyde de carbone à l’équilibre pour la réaction (B) à 1800 K pour
une pression totale de 1 bar. Commenter.
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La composition de la phase gaz à l’équilibre varie peu avec la température entre 1200
et 1800 K.
A.I Température de amme
On s’intéresse à la température maximale atteint après combustion du mélange gazeux
(ou « vent »). Dans toute cette partie, travaillez sur des quantités de matière par Nm3d’air
sec injecté.
Un Nm3correspond à un mètre cube normal, c’est à dire au volume occupé par un
mètre cube d’air à 273 K sous une pression de 1 bar mais à la température Tsous la
même pression.
5. Calculer le volume occupé par un Nm3d’air à 2000 K sous une pression de 1 bar.
Commenter.
La composition par Nm3d’air sec injecté en entrée des tuyères est la suivante :
– 7,5 g d’eau par Nm3d’air sec ;
– 0,03 Nm3de dioxygène par Nm3d’air sec ;
6. Calculer la quantité de matière de dioxygène, de diazote et de vapeur d’eau intro-
duites dans le four par Nm3d’air sec injecté. Les gaz se comportent comme des
gaz parfaits et l’air sec est composé à 21 % de dioxygène et à 79 % de diazote.
Les seuls produits de combustion formés sont du monoxyde de carbone et du dihydrogène.
7. Calculer la quantité de matière de coke nécessaire pour la combustion totale du
vent. Calculer cette masse par Nm3d’air sec injecté.
8. Donner la composition du vent après combustion totale. (espèces et quantités de
matière)
9. Quelle doit-être la température de amme minimale pour pouvoir satisfaire les
conditions de fonctionnement données dans la partie I ? En déduire la gamme de
température après combustion.
Le vent est à la température initiale Tv=1300 K. Le coke arrive dans la zone de combustion à
1800 K.
10. Grâce à l’annexe A, donner les enthalpies de formation des différents composés
introduits avant combustion.
11. Grâce à l’annexe A, donner l’expression numérique des enthalpies de formation
des composés formés après combustion en fonction de la température de amme
Tf.
12. À l’aide d’un bilan d’enthalpie, calculer la température de amme Tfdu gaz après
combustion. Commenter.
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