Autres borures métalliques

Données industrielles

Élaboration industrielle

Ils sont, en général, préparés à haute température, sous vide ou sous atmosphère inerte. Exemples : TiB2, CrB2, ZrB2…

Utilisations

On peut citer :

  • Les ailettes de turbines (ou revêtement de ces ailettes), revêtements de chambres de combustion, tuyères de fusées…
  • Les pompes et canalisations pour le transport de métaux liquides, creusets d’évaporation de métaux (métallisation de polymères par Al), dans l’électrométallurgie de l’aluminium…
  • Les abrasifs et outils cémentés ou revêtus de borures.

Nitrure de bore

Données physico-chimiques

Données atomiques

Formule Masse molaire Structures cristallines
BN 24,82 g.mol-1
  • h-BN : hexagonale de paramètres : a = 0,251 nm, c = 0,670 nm
  • c-BN : cubique, de type diamant de paramètre a = 0,3615 nm

Données physiques

Masse volumique Dureté Température de sublimation Solubilité dans l’eau
  • forme hexagonale : 2,1 g.cm-3
  • forme cubique : 3,45 g.cm-3
  • forme hexagonale : 2
  • forme cubique : 9,5
 3 000°C
  • froide : insoluble
  • chaude : légère décomposition

Données thermodynamiques

Nitrure de bore cristallisé :

  • Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : -254,5 kJ.mol-1
  • Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : -228,5 kJ.mol-1
  • Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 14,8 J.K-1mol-1
  • Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 19,7 J.K-1mol-1
 Nitrure de bore gazeux :

  • Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : 647,7 kJ.mol-1
  • Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : 614,7 kJ.mol-1
  • Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 212,2 J.K-1mol-1
  • Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 29,5 J.K-1mol-1

Données industrielles

De formule BN, le nitrure de bore se présente sous deux variétés principales : α et b.

BN alpha

De structure hexagonale de type graphite (surnommé pour cette raison : graphite blanc).

Élaboration industrielle :

Peut être obtenu à 300°C à partir de borate de sodium traité par du chlorure d’ammonium, vers 1000°C par action de l’ammoniac sur le trichlorure de bore ou par réaction entre l’oxyde de bore et le diazote, en présence de carbone, vers 1600°C.

Production :

La production mondiale est de 300 à 500 t/an.

Propriétés :

  • Très bon isolant électrique (meilleur que l’alumine) et bon conducteur de la chaleur, comme un métal.
  • Facile à usiner.
  • Possède des propriétés lubrifiantes supérieures à celles du graphite, à haute température.
  • Non mouillé par de nombreux métaux liquides (Al, Cu, Na…), le silicium  et les chlorures alcalins.

Utilisations : Dans des applications à hautes températures.

  • La principale utilisation (60-70 t/an) est la production de composés intermétalliques TiB2/BN, destinés à élaborer des creusets pour la métallisation sous vide de plastiques et de verres.
  • Gaines de thermocouples, supports de résistances, creusets pour fusion de verres, silicium…
  • Éléments de pompes pour le pompage de métaux liquides.
  • Lubrifiant à haute température : moules de fonderie, tréfilage, joints…
  • Utilisé en cosmétique, en substitution du talc.
  • Précurseur pour la fabrication du BN b (15 à 20 t/an avec un rendement de 5 à 10 %).

BN bêta

De structure cubique de type diamant.

Élaboration : comme celle du diamant synthétique, sous haute pression (62 kbar), à haute température (1400 à 2400°C), en présence de catalyseurs. Les producteurs de nitrure de bore cubique sont également producteurs de diamants synthétiques (voir le chapitre correspondant). La production mondiale est de quelques tonnes par an.

Propriétés et utilisations : c’est après le diamant, le corps le plus dur. Il est plus stable à la chaleur et résiste mieux aux chocs que le diamant. Il est utilisé comme abrasif.

Bibliographie

  • American Ceramic Society Bulletin, juin 1997.
  • Applications industrielles des composés du bore, Informations Chimie, n°178, juin 1978.

 

Carbure de bore

Données physico-chimiques

Données atomiques

Formule Masse molaire Structure cristalline
B4C 55,26 g.mol-1 rhomboédrique

Données physiques

Masse volumique Dureté Température de fusion Température d’ébullition Solubilité dans l’eau
2,52 g.cm-3 9,5 2 350°C > 3 500°C insoluble

Données industrielles

De formule proche de B4C.

Élaboration industrielle

Par réaction, dans un four électrique à arc, de l’oxyde de bore avec du carbone à 2300°C :

2 B2O3 + 7 C = B4C + 6 CO

Propriétés

Les plus intéressantes sont les suivantes :

  • Très grande dureté (3ème matériau le plus dur) proche de celle du diamant et de faible densité.
  • Grande inertie chimique.
  • Réfractaire : sa température de fusion est de 2350°C.
  • Contient 10B qui absorbe les neutrons thermiques.

Utilisations

La consommation française est de l’ordre de 5 t/an. Il est utilisé sous forme de poudre ou de pièces frittées.

Abrasif, utilisé dans le rodage, le doucissage, pré-polissage de surfaces de céramiques, par exemple le saphir, la coupe de matériaux très durs.

Buses de sablage à l’aide de corindon, filières.

Mortier pour le broyage, en laboratoire, de matériaux durs.

Blindage contre les projectiles et éclats d’obus : en 1968, au Vietnam, les soldats américains ont porté des gilets pare-balles constitués de plaques de carbure de bore noyées dans des résines armées de fibres de verre.

Le surgénérateur Superphénix renfermait 900 kg de carbure de bore enrichi à 90 % en 10B.

Précurseur pour la fabrication des halogénures de bore (BCl3 et BBr3).

Bibliographie

  • American Ceramic Society Bulletin, juin 1997.
  • Applications industrielles des composés du bore, Informations Chimie, n°178, juin 1978.

 

Ferrobore

Données industrielles

Il y a 2 nuances principales avec 12-14 % de B et 18-20 % de B avec moins de 0,1 % C.

Élaboration

Principalement par réduction de l’acide borique à l’aide de carbone (charbon de bois), en présence de ferrailles, dans un four à arc électrique.

Production

Dans le monde, 5 000 t/an.

Utilisations

Comme élément d’addition et de désoxydation des aciers (le bore, à des teneurs de 25 à 50 ppm entre, annuellement, dans plus de 10 millions de t d’acier). Le bore agit sur la vitesse de transformation martensitique, lors de la trempe et sur la formation de nitrures. Il augmente la dureté de l’acier (c’est le meilleur agent durcissant connu). Également, la présence de bore dans des aciers permet l’obtention de verres métalliques (voir ci-dessous). La sidérurgie représente 50 % de la consommation mondiale de ferro-bore. Il est utilisé également, comme désoxydant, dans les métallurgies de l’aluminium et du cuivre.

L’alliage fer-néodyme-bore est utilisé comme aimant permanent (voir le chapitre terres rares). Cette application représente 10 % de la consommation mondiale de ferro-bore.

Verres métalliques

Les alliages de type Fe80B20, par exemple, Fe81B13,5Si3,5C2, forment des verres métalliques (de structure amorphe) s’ils sont refroidis très rapidement. Une trempe ultra rapide, par exemple par la méthode du flot planaire, permet d’obtenir ces alliages. Elle consiste à propulser l’alliage en fusion (à 1300°C) sur un tambour de cuivre tournant à grande vitesse (30 m.s-1). L’alliage est ainsi refroidi à une vitesse d’environ 106°C.s-1 et se présente sous forme d’un ruban d’environ 40 μm d’épaisseur sur 10 cm de large.

Ces verres métalliques, à structure cristalline amorphe, sont statistiquement homogènes et ne possèdent pas de joints de grains ce qui leur confère une bonne résistance à la corrosion. L’alliage Fe81B13,5Si3,5C2 a un comportement magnétique doux avec un champ coercitif très faible et une très forte perméabilité. Les pertes magnétiques sont ainsi fortement diminuées. Ces alliages commencent à être utilisés dans les transformateurs.

Des fibres de verre métallique sont utilisées pour le renforcement de bétons. Les fibres Fibraflex de composition (Fe,Cr)80(B,P,C,)20 sont fabriquées par Saint-Gobain Seva, dans son usine de Chalon-sur-Saône.

Bibliographie

  • M. Blétry et Y. Champion, « Propriétés mécaniques des verres métalliques », Techniques de l’Ingénieur, 2009.

Borohydrure de sodium

Données industrielles

Le borohydrure de sodium ou tétrahydroborate de sodium, de formule NaBH4, est un composé très réducteur.

Utilisations

Les principales sont les suivantes :

  • Comme réducteur sélectif en chimie organique.
  • Dans le traitement des effluents de diverses industries afin de limiter la pollution et récupérer des métaux lourds : traitement de surface des métaux, photographie, électronique…
  • Décoloration de la pulpe de bois dans l’industrie papetière.

Diborane

Données physico-chimiques

Données atomiques

Formule Masse molaire
B2H6 27,67 g.mol-1

Données physiques

Masse volumique sous forme gazeuse Température de fusion Température d’ébullition Température critique Pression critique Température d’auto-inflammation Limites d’explosivité Solubilité dans l’eau
1,95.10-3 g.cm-3 -164,85°C -92,59°C 16,65°C 4 053 kPa 38°C 0,8 à 88 % en volume hydrolysé en dihydrogène et acide borique

Données thermodynamiques

Diborane gazeux :

  • Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : 35,6 kJ.mol-1
  • Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : 86,6 kJ.mol-1
  • Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 232,1 J.K-1mol-1
  • Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 56,9 J.K-1mol-1
  • Enthalpie molaire standard de fusion à la température de fusion : 4,4 kJ.mol-1
  • Enthalpie molaire standard d’ébullition à la température d’ébullition : 14,4 kJ.mol-1

Données industrielles

Utilisations

Le diborane, B2H6 est utilisé :

  • Pour le dopage du silicium et du germanium destinés à l’industrie électronique.
  • En catalyse de polymérisation, comme agent de vulcanisation.
  • Comme réducteur puissant.

 

Borax

Données physico-chimiques

Données atomiques

Formule Masse molaire Structure cristalline
Na2B4O7,10H2O 381,37 g.mol-1 monoclinique

Données physiques

Masse volumique Dureté Température de fusion Température d’ébullition Solubilité dans l’eau
1,73 g.cm-3 2 à 2,5 75°C 320°C
  • à 0°C : 2,01 g/100 g d’eau
  • à 100°C : 170 g/100 g d’eau

Données thermodynamiques

 

  • Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K du borax cristallisé : – 6 266,7 kJ.mol-1

Données industrielles

Voir borates

Alliages de cuivre

Données industrielles

Cuivre non allié

Les différentes qualités commerciales se distinguent par leurs teneurs résiduelles en oxygène et phosphore.

  • L’oxygène (0,03 à 0,10 %) est présent dans Cu2O. L’oxyde se forme lors de la fusion des cathodes pour l’élaboration des demi-produits. Il donne au cuivre de bonnes propriétés mécaniques pour une utilisation en électrotechnique.
  • Le phosphore (0,013 à 0,05 %) provient du phosphure de cuivre utilisé pour désoxyder le cuivre afin de le rendre insensible aux atmosphères réductrices. Les conductibilités thermiques et électriques sont diminuées. Ce cuivre est utilisé, principalement, dans la fabrication de tubes sanitaires et de laminés pour toiture.

Cuivre faiblement allié

La teneur en éléments d’addition est, en général, inférieure à 2 %.

Les propriétés mécaniques sont supérieures à celles du cuivre, les caractéristiques électriques restent élevées. Éléments d’addition :

  • Ag (0,08 % qui améliore la tenue à chaud par exemple dans des contacteurs électriques),
  • Te (0,3-0,7 % qui améliore l’usinabilité en particulier pour les usinages rapides),
  • Cr (0,5-0,9 % qui confère une bonne résistance aux déformations à chaud),
  • Be (1,8-2 % qui donne de bonnes propriétés mécaniques pour la fabrication de contacts, de ressorts…).

Laitons

Avec de 5 à 45 % en masse de zinc. Ce sont les alliages de cuivre les plus utilisés.

Ils remplacent économiquement le cuivre dans de nombreux emplois en raison du moindre prix du zinc. Ils ont une couleur variant avec la teneur en zinc (du rose au jaune), une bonne résistance à la corrosion et peuvent recevoir de nombreux traitements de surface. Ils peuvent être soit moulés, soit travaillés à chaud ou à froid. Ils supportent des déformations importantes et peuvent donc être mis en forme par emboutissage.

Laitons simples :

  • jusqu’à 33 % de zinc on est en présence d’une solution solide (phase alpha, cubique faces centrées).
  • de 33 à 46 % de zinc on a un mélange de deux phases alpha et bêta’. La phase bêta, cubique centrée, désordonnée (stable au-dessus de 460°C, malléable) s’ordonne en phase bêta’, cubique simple (Cu (0 0 0), Zn (1/2 1/2 1/2)), dure et fragile.

Principaux laitons simples : CuZn5 (médailles), CuZn10 (quincaillerie, cartoucherie), CuZn15 (bijouterie, douilles de lampes), CuZn20 (instruments de musique), CuZn30 (visserie), CuZn33 (cartouches, douilles, instruments de musique, lustrerie), CuZn40 (serrurerie, appareils sanitaires).

Laitons au plomb (ou laitons de décolletage) : de 1 à 3,7 % de plomb, avec de 35 à 40 % de zinc.

Le plomb est très peu soluble dans les laitons et conserve ses caractéristiques propres en s’isolant sous forme d’inclusions et donne aux laitons une très bonne aptitude à l’usinage. Utilisés pour la fabrication de pièces décolletées et matricées (par déformation à chaud, sans fusion).

Laitons spéciaux : à équivalence de composition en zinc et cuivre, ils peuvent présenter des caractéristiques supérieures à celles des laitons simples mais aussi des propriétés particulières (résistance à la corrosion dans certains milieux). Exemples : Cu-Zn29-Sn1, Cu-Zn22-Al2 : échangeurs thermiques pour eaux de rivière, d’estuaire ou de mine.

Bronzes

Avec de 3 à 20 % en masse d’étain.

A des teneurs plus élevées en étain, les bronzes deviennent de plus en plus fragiles. C’est le cas des cloches dont la teneur en étain est comprise entre 20 et 25 %. Les bronzes ont une excellente aptitude au moulage et sont en général mis en œuvre par fonderie.

Bronzes binaires :

  • jusqu’à 15 % d’étain on a une solution solide (phase alpha, cubique faces centrées), malléable.
  • de 15 à 32 % d’étain on a deux phases alpha et delta. La phase delta est dure et fragile, elle donne aux cloches leur sonorité.

Bronzes complexes : ajouts de phosphore (0,1 à 0,5 %), zinc (4 à 10 %), plomb (jusqu’à 30 %).

Cupro-alliages

Avec Al, Ni, Ni/Zn, Si, Pb.

Cupro-aluminium : avec de 4 à 14 % d’aluminium. Ils possèdent une résistance élevée à la corrosion chimique et marine. Utilisation en génie maritime. Exemples : CuAl6, CuAl8. Des alliages à mémoire de forme ont les compositions suivantes : CuZnAl, CuZnAlNi, CuAlNi avec 4-12 % Al, 4 % Ni.

Cupro-nickel : le cuivre et le nickel sont miscibles en toutes proportions. Pour des teneurs supérieures à 50 % de nickel, les alliages sont appelés nickel-cuivre. Ils possèdent une excellente résistance à la corrosion par l’eau de mer. Les teneurs les plus utilisées sont de 5, 10, 20, 30, 40 et 45 % de nickel avec souvent des additions de fer (0,5 à 6 %), manganèse (0,3 à 1,2 %). Les propriétés mécaniques et chimiques sont d’autant meilleures que la teneur en nickel est plus élevée. Les cupronickels à 40-45 % de nickel (constantan) ont leur résistivité qui ne varie pas en fonction de la température (utilisation dans les thermocouples). Ces alliages sont également utilisés comme anti-biofouling permettant ainsi de réduire le dépôt d’organismes marins sur les coques des navires.

Maillechorts : de 9 à 26 % de nickel et de 17 à 28 % de zinc. Leurs propriétés sont intermédiaires entre celles des laitons et des cupronickels. Utilisés en orfèvrerie.

Cupro-silicium : de 2 à 4 % de silicium avec souvent addition de Mn, Al, Fe. Ils possèdent d’excellentes qualités de frottement. Utilisés en mécanique et chaudronnerie. Exemples : CuSi3Mn (3 % Si, 1 % Mn), CuSi2Al (2 % Si, 2,5 % Al).

Cupro-plomb : de 8 à 35 % de plomb. Ils possèdent d’excellentes propriétés antifriction. Utilisation pour la fabrication de coussinets.

Superalliages

Ils sont constitués par :

  • Principalement une matrice austénitique gamma dans laquelle Ni peut être substitué par Co, Cr, Mo, W, ainsi que par Nb, Al, Ti, Ta.
  • Des précipités intermétalliques ordonnés gamma’ : Ni3(Ti,Al) ou gamma » : Ni3Nb qui occupent de 30 à 70 % du volume et dont les dimensions varient entre 10 nm et quelques micromètres.
  • Des carbures primaires (de type MC) et secondaires (de type M23C6), précipités préférentiellement aux joints de grains.

Différents types

A base de fer-nickel-chrome, à base de nickel (les plus utilisés), à base de cobalt.

Exemples de compositions : % en masse.

Type Fe Cr Ni Co Mo W Nb Ti Al Ta
Base fer A 286 55 15 26 <1,2 1,9 0,3
Base nickel N 18 11,5 57 11,5 6,5 4,7 4,3 4,3
Base nickel CMS X2 8 66 4,6 0,6 7,9 0,9 5,6 5,8
Base cobalt S 816 4 20 20 44 4 4 4

Fabrication industrielle

Par métallurgie sous vide par fusion au four à induction (VIM) suivie souvent par une fusion au four à arc à électrode consommable (VAR).

Solidification orientée : les superalliages utilisés pour élaborer les aubes de turbines (tournant à 15 000 tours/min) subissent des contraintes importantes dans une direction privilégiée (force centrifuge) qui entraînent des ruptures aux joints de grains. Afin de remédier à cette fragilité intergranulaire, les aubes peuvent être obtenues sous forme monocristalline par solidification orientée. Les vitesses de tirage sont de l’ordre de 25 cm/heure.

Métallurgie des poudres : les températures actuellement atteintes dans la chambre de combustion des réacteurs (1800°C dans le réacteur M88 du Rafale) entraînent des températures de 600-700°C sur les disques de turbine. Ces températures nécessitent l’utilisation de superalliages à base de Ni contenant des quantités de plus en plus importantes de métaux réfractaires (Ta, Mo, W) qui ne peuvent être obtenus que par métallurgie des poudres, par exemple pour l’alliage N 18 développé par la SNECMA pour le réacteur du Rafale.

Utilisations

L’amélioration du rendement des turbines aéronautiques est liée à l’accroissement de la température d’entrée de la turbine (TET). L’accroissement moyen de la TET depuis 1970 a été d’environ 15°C/an, la contribution relative aux matériaux étant d’environ 7°C/an.

Les superalliages constituent plus de 50 % de la masse des moteurs aéronautiques. Ils sont présents dans :

  • Les disques de compresseurs et de turbines, et certains arbres, dont les températures de fonctionnement atteignent 650°C.
  • Les aubes dont la température est portée à 1000°C.
  • La chambre de combustion où la température peut atteindre 1500-1800°C.

Aciers

Données industrielles

Matières premières

Avec une teneur, en masse, de 5 %, le fer est, après l’aluminium, le 2ème élément métallique le plus répandu dans l’écorce terrestre.

Minerais :

Le fer est présent sous forme oxydée, Fe2O3 (hématite) ou parfois Fe3O4 (magnétite), avec des teneurs en fer comprises entre 30 %, pour les minerais pauvres, et 66 %, pour les minerais riches. La teneur en fer d’un minerai constitué d’hématite pure serait de 69,94 %.
Une partie de la production brésilienne est sous forme d’itabirite qui est un minerai de fer (hématite, magnétite), métamorphisé, en présence de quantités importantes de quartz, avec des teneurs en fer comprises entre 37 et 52 %.

Principaux complexes miniers : en 2024 (2023-24 pour BHP Billiton et FMG).

en millions de t de minerai
Complexe minier Exploitant Production Complexe minier Exploitant Production
Hamersley, Australie Rio Tinto 225 Serra Sul, Brésil Vale 83
Area C, Australie BHP Billiton 106 Jimblebar, Australie BHP Billiton 73
Chichester Hub, Australie FMG 100 Newman, Australie BHP Billiton 58
Carajás-Serra Norte, Brésil Vale 88 Vargem Grande, Brésil Vale 37
Solomon Hub, Australie FMG 75 Yandi, Australie BHP Billiton 18

Sources : rapports des sociétés

Environ 98 % de la production minière de fer est destinée à l’élaboration de l’acier.

Ferrailles :

Leur part dans la production d’acier est importante. Voir plus loin.

Production minière de fer

En 2024, en millions de t de fer contenu sur un total mondial de 1 600 millions de t. Source : USGS

Production minière de fer : en 2024, en fer contenu, sur un total mondial de 1 600 millions de t.

en millions de t de fer contenu
Australie 580 Afrique du Sud 42
Brésil 280 Canada 32
Chine 170 États-Unis 30
Inde 170 Ukraine 26
Iran 59 Suède 20
Russie 53 Pérou 14

Source : USGS

Les teneurs des minerais varient en moyenne de 30 % pour la Chine à 66 % pour le Brésil.

Les principaux gisements australiens, à ciel ouvert, sont situés dans la région de Pilbara au nord-ouest de l’Australie occidentale. Ils sont exploités, en particulier, par Rio Tinto, BHP-Billiton et FMG.

En Russie, les principales mines exploitent l’Anomalie Magnétique de Koursk (KMA), située en Russie centrale. Le gisement actuellement exploité, à ciel ouvert, à 220-270 m de profondeur, est constitué de quartzites ferrugineuses contenant de 34 à 39 % de fer. Ce gisement constitue la deuxième plus grande ressource de fer, dans le monde.

En 2025, devrait commencer l’exploitation à ciel ouvert du gisement guinéen de Simandou. Le gisement est concédé d’une part à Simfer, coentreprise entre Rio Tinto avec 53 % et Chalco Iron Ore Holdings (CIOH) avec 47 %, détenant 85 % d’une partie du gisement, les 15 % restant étant détenus par l’État guinéen et d’autre part à Winning Consortium Simandou (WCS), groupe de Singapour associé à des intérêts chinois et à l’État guinéen.

Le gisement de Simandou, situé au sud-est de la Guinée s’étend sur 8 km de long et 1 km de large. La partie concédée à Simfer possède des réserves prouvées et probables de 1,5 milliard de t contenant 65,3 % de fer. La production prévue à compter de 2027 est de 60 millions de t/an de minerai et la durée d’exploitation de 26 ans. Le minerai est évacué par une ligne de chemin de fer, le Transguinéen détenu à 42,5 % par Simfer, 42,5 % par WCS et 15 % l’État guinéen, de 650 km jusqu’au port en eau profonde de Morebaya au sud de Conakry.

Principaux producteurs :

en millions de t de minerai
Vale (Brésil), en 2024 332 ArcelorMittal (Luxembourg), en 2024 42
Rio Tinto (Australie), en 2024 288 Metalloinvest (Russie), en 2021 41
BHP-Billiton (Australie), en 2023-24 260 LKAB (Suède), en 2024 23
FMG (Australie), en 2023-24 190 US Steel (États-Unis), en 2024 22
Anglo American (Afrique du Sud), en 2024 61

Sources : rapports des sociétés

  • Au Brésil, Vale, exploite du minerai de fer, à ciel ouvert, dans principalement 3 ensembles (Nord, dans l’État de Pará, Sud-Est et Sud dans l’État de Minas Gerais) et partage moitié-moitié, avec BHP-Billiton, les mines de Samarco dans l’État de Minas Gerais.
    Les réserves prouvées et probables de Vale sont, fin 2024, de 12,1 milliards de t contenant, en moyenne, 54,2 % de fer.

    • La production de l’ensemble Nord, à Carajás, avec 3 mines, a été, en 2024, de 177,5 millions de t de minerai contenant 66,7 % de fer sous forme d’hématite. Les mines de Carajás ont été découvertes en 1967 et leur production a débuté en 1986. Les réserves prouvées et probables sont de 5,3 milliards de tonnes de minerai contenant 65,2 % de fer. La mine produit également du minerai de cuivre, de manganèse, d’or. Le minerai, qui ne nécessite pas d’enrichissement, est acheminé, en 30 heures, par voie ferrée (16 convois/jour de 330 wagons), sur 892 km, jusqu’au port de São-Luis. La construction de la voie ferrée a compté pour 56 % des investissements, l’infrastructure minière pour 20 %, l’ensemble portuaire pour 14 %. Au total, de la mine au port, 4 000 personnes sont employées.
    • L’ensemble Sud-Est, sur 3 sites et 8 mines, a produit, en 2024, 86,9 millions de t avec des réserves de 2,7 milliards de t contenant, en moyenne, 48,7 % de fer. Le minerai d’itabirite, contient de 35 à 60 % de fer, il doit être concentré.
    • L’ensemble Sud, sur 3 sites et 9 mines, a produit, en 2024, 63,3 millions de t avec des réserves de 4,0 milliards de t contenant, en moyenne, 43,5 % de fer.
    • Les mines de Samarco, ont arrêté jusqu’en décembre 2020 toute production après la rupture d’une digue de retenue d’un bassin de rétention de résidus miniers, le 5 novembre 2015, qui a entraîné la mort de 19 personnes dans le village de Mariana. En 2024, la production des mines de Samarco a été de 9,6 millions de t.

En 2023, la production de Vale a été destinée à 77 % à l’Asie dont 62 % à la Chine, 12 % au Brésil, 5 % à l’Europe.

  • En 2024, la production de Rio Tinto a été réalisée à 96,7 % en Australie et 3,3 % au Canada. Le total des réserves prouvées et probables de Rio Tinto représente 3,140 milliards de t de minerai renfermant 62,7 % de fer.
    • La production australienne a été réalisée sur le gisement de Pilbara, avec 16 mines en activité, 4 ports d’exportation du minerai et 1 700 km de voies ferrées. Cette exploitation est effectuée à travers plusieurs sociétés : Hamersley Iron possédée en propre, Channar et Eastern Range en joint venture avec des sociétés chinoises, Hope Down en association 50-50 avec Hancock Prospecting, Robe River Iron Associates détenue à 53 % par Rio Tinto, associé à des sociétés japonaises (Mitsui, Nippon Steel et Sumitomo). Les réserves australiennes prouvées et probables de Rio Tinto sont de 2,23 milliards de t de minerai renfermant 60,9 % de fer. Début 2022 a commencé la production de la mine de Gudai-Darri avec 50 millions de t/an pouvant être portée à 70 millions de t/an avec des réserves prouvées et probables de 561 millions de t renfermant 61,8 % de fer.
    • Par ailleurs, Rio Tinto détient 58,7 % de la société Iron Ore Company of Canada qui exploite à ciel ouvert un gisement au Canada, à Labrador City. L’exploitation minière canadienne possède 235 millions de t de réserves prouvées et probables contenant 65,0 % de fer. En 2024, la production en propre a été de 9,446 millions de t acheminées par 418 km de voies ferrées jusqu’au port de Sept-îles, au Québec.
  • La production de BHP-Billiton, en Australie, a été, en 2023-24, réalisée totalement sur le gisement de Pilbara, par la société Western Australia Iron Ore (WAIO) avec 4 joint ventures détenues à 85 % (Mt Newman, Area C, Yandi et Jimblebar) avec les groupes japonais Mitsui et Itochu, le minerai étant acheminé par 1 000 km de voies ferrées vers 2 ports situés à Port Hedland. L’exploitation la plus importante, Mt Whaleback, détenue par la joint venture Mt Newman, a débuté en 1968 et s’étend sur une surface de 5×1,5 km, avec un minerai titrant 68 % de fer. C’est la plus importante mine de fer au monde, à ciel ouvert, d’un seul tenant.
    Les réserves prouvées et probables de BHP-Billiton sont, en Australie, de 4,32 milliards de t à 62,0 % de Fe.

    • Par ailleurs, BHP-Billiton détient moitié-moitié avec Vale, la société Samarco qui exploite des gisements au Brésil, avec, en 2014-15, une production revenant à BHP-Billiton de 14,5 millions de t. Les mines de Samarco, ont arrêté jusqu’en décembre 2020 toute production après la rupture d’une digue de retenue d’un bassin de rétention de résidus miniers, le 5 novembre 2015, qui a entraîné la mort de 19 personnes dans le village de Mariana. En 2023-24, la production revenant à BHP est de 4,748 million de t.
  • Fortescue Metals Group (FMG), exploite 3 complexes miniers dans la région de Pilbara au nord-ouest de l’Australie occidentale, Chichester avec les mines de Cloudbreak et Christmas Creek et Solomon avec les mines de King Valley et Firetail. Le minerai est acheminé par 620 km de voies ferrées jusqu’au port de Herb Helliot. Les réserves sont de 1,701 milliard de t de minerai d’hématite renfermant 57,4 % de Fe et de 832 millions de t de minerai de magnétite renfermant 67,3 % de Fe. En 2023 a débuté l’exploitation de magnétite sur le complexe minier de Iron Bridge.
  • Anglo American exploite à ciel ouvert des mines de fer :
    • En Afrique du Sud avec 52,5 % de la société Kumba Iron Ore qui a produit, en 2024, 35,7 millions de t de minerai en exploitant les mines de Kolomela avec des réserves prouvées et probables de 116 millions de t renfermant 63,0 % de fer et Sishen avec des réserves prouvées et probables de 425 millions de t renfermant 64,0 % de fer.
    • Au Brésil avec le complexe de Minas-Rio qui exploite la mine de Serra do Sapo, avec, en 2024, une production de 25,0 millions de t et des réserves prouvées et probables de 1,648 milliard de t renfermant 67,0 % de fer.
  • ArcelorMittal exploite des mines de fer dans divers pays qui fournissent près de la moitié des besoins du groupe :
    • Au Canada, avec la mine à ciel ouvert de Mont Wright, au Nord-Ouest du Québec, exploitées à 85 % par la filiale AMEN. Le minerai est acheminé, par la filale AMIC, par une voie ferrée privée de 420 km jusqu’à Port Cartier sur de Saint-Laurent. En 2024, la production a été de 24,2 millions de t, dont 20,5 millions de t pour Arcelor et les réserves prouvées et probables sont de 1,735 milliard de t renfermant 29,1 % de fer. En 2017, a débuté l’exploitation commerciale, par la société Baffinland avec une participation de 25,23 % d’ArcelorMittal, du gisement de Mary River, en Terre de Baffin, province du Nunavut. En 2024, la production est de 5,8 millions de t, dont 1,5 million de t pour Arcelor et la capacité de production doit être augmentée pour atteindre 12 millions de t/an. Les réserves sont de 165 millions de t renfermant 64,1 % de fer.
    • En Ukraine, avec la mine de Kryviy exploitée à ciel ouvert qui a produit, en 2024, 8,0 millions de t, dont 7,6 millions de t pour Arcelor avec des réserves prouvées et probables de 478 millions de t renfermant 33,6 % de fer et souterrainement avec une production de 0,2 million de t et des réserves prouvées et probables de 14 millions de t renfermant 54,3 % de fer.
    • Au Brésil, avec 2 mines à ciel ouvert qui ont produit, en 2024, 2,9 millions de t avec des réserves prouvées et probables de 424 millions de t renfermant 40,9 % de fer.
    • Au Mexique, avec la mine à ciel ouvert de Las Truchas qui a produit, en 2024, 1,0 million de t et la mine Volcan, à ciel ouvert, qui a produit 0,2 million de t avec des réserves prouvées et probables de 84 millions de t renfermant 28,2 % de fer et 50 % de la mine à ciel ouvert de Peña Colorada qui a produit 2,7 millions de t, dont 1,4 pour Arcelor avec des réserves prouvées et probables de 122 millions de t renfermant 19,7 % de fer.
    • Au Kazakhstan, 3 mines à ciel ouvert ont produit, en 2023, 1,4 million de t et possèdent des réserves prouvées et probables de 109 millions de t renfermant 40,5 % de fer et une mine souterraine a produit 1,0 million de t avec des réserves prouvées et probables de 6 millions de t renfermant 41,6 % de fer. Ces mines ont été vendues en décembre 2023.
    • Au Liberia, avec la mine à ciel ouvert de Yekepa détenue à 85 %, qui a produit, en 2024, 3,8 millions de t, dont 3,2 millions de t pour Arcelor avec des réserves prouvées et probables de 727 millions de t renfermant 42,9 % de fer. Le minerai est acheminé à l’aide d’une voie ferrée de 260 km jusqu’au port de Buchanan.
    • En Bosnie, avec la mine d’Omarska, à ciel ouvert, détenue à 51 %, qui a produit, en 2024, 1,0 million de t, dont 0,5 million de t pour Arcelor avec des réserves prouvées et probables de 3 millions de t renfermant 46,1 % de fer.
    • Par ailleurs, détient, en Inde, une participation de 60 % qui a produit 9,8 millions de t, dont 5,9 millions de t pour Arcelor avec des réserves prouvées et probables de 79 millions de t renfermant 57,6 % de fer.
  • Metalloinvest est le principal producteur russe avec, en 2021, 57 % de la production russe. Exploite deux mines, Lebedinsky et Mikhailovsky sur l’Anomalie Magnétique de Koursk (KMA), située en Russie centrale. Les réserves prouvées et probables sont de 15,4 milliards de t de minerai.

Commerce international : en 2023.

Principaux pays exportateurs sur un total mondial de 1 593 millions de t de minerais et concentrés, en 2022.

en millions de t de minerai
Australie 901 Chine 21
Brésil 379 Malaisie 20
Canada 58 Pays Bas 19
Afrique du Sud 55 Pérou 19
Suède 33 Ukraine 18

Source : International Trade Center

En 2017, les gisements de l’Australie de l’Ouest représentent 94 % des exportations australiennes et 57 % du commerce maritime mondial de minerai de fer. Ces exportations sont destinées, en 2023, à 85 % à la Chine, 6 % au Japon, 5 % à la Corée du Sud. Par ailleurs les gisements de la région de Pilbara représentent 61 % des importations de la Chine. Les exportations depuis Port Hedland ont été de 472 millions de t, celles depuis Cape Lambert de 177 millions de t, celles depuis Dampier de 127 millions de t.
Le Brésil exporte 87 % de sa production et ses exportations représentent, en 2017, 24 % du commerce maritime mondial de minerai de fer.

Principaux pays importateurs.

en millions de t de minerai
Chine 1 180 Malaisie 21
Japon 102 Taipei chinois 19
Corée du Sud 68 Vietnam, en 2022 15
Allemagne 35 Bahreïn, en 2022 13
Pays Bas 25 Oman, en 2022 11

Source : International Trade Center

Les importations chinoises proviennent à 62 % d’Australie, 21 % du Brésil, 3 % d’Inde.

Réserves minières de minerai de fer

En 2024, en milliards de t de fer contenu sur un total mondial de 88 milliards de t. Source : USGS

en milliards de t de fer contenu sur un total de 87 milliards de t
Australie 27 Canada 2,3
Brésil 15 Ukraine 2,3
Russie 14 États-Unis 2,3
Chine 6,9 Iran 1,5
Inde 3,4 Pérou 1,5

Source : USGS

En 2021, le groupe russe Metalloinvest possède des réserves de minerai de 15,4 milliards de t devant le groupe Vale (Brésil) avec13,8 milliards de t et BHP Billiton (Australie) avec 4,45 milliards de t.

Situation française : en 2024.

Le minerai exploité jusqu’en 1997 était pauvre et phosphoreux (la minette de Lorraine). Il contient de 30 à 34 % de fer et 0,7 % de phosphore. La production, située en Lorraine, était effectuée souterrainement, par exemple, en 1980, à l’aide de 23 puits. Depuis août 1993, la sidérurgie française s’approvisionne exclusivement en minerai importé, le minerai produit ensuite, de 1993 à 1997, étant exporté au Luxembourg.

Évolution de la production française : le maximum a été atteint en 1960 avec 67 millions de t de minerai (c’était la 3ème production mondiale après celles de l’URSS et des États-Unis), en 1974 la production était de 54 millions de t et, en 1991, de 7,5 millions de t. En plus de 200 ans, 3 milliards de t de minette ont été extraites.

Après la fin de l’extraction lorraine, deux petites exploitations minières ont fonctionné pour alimenter des clients tels que les cimenteries. La mine de Batère (66) avec 3 à 4 personnes et 6 000 t/an qui a fermé en 2001 et celle de Rougé (44) avec une douzaine de personnes qui extrayait quelques dizaines de milliers de t/an a fermé en 2003.

Les réserves sont estimées à 800 millions de t de fer contenu.

Commerce extérieur :

Les exportations étaient de 95 222 t de minerai avec comme principaux marchés à :

  • 88 % l’Allemagne,
  • 4 % l’Espagne,
  • 2 % la Suisse.

Les importations s’élevaient à 9 865 589 t de minerai en provenance principalement à :

  • 52 % du Canada,
  • 22 % du Brésil,
  • 12 % du Liberia,
  • 9 % des États-Unis.

Sidérurgie

L’acier, après le bois et le béton est le matériau le plus utilisé dans le monde devant les matières plastiques.

L’acier est constitué principalement de fer, avec des teneurs en carbone inférieures à 1 % (formellement inférieures à 2 %, des teneurs supérieures donnent la fonte) et contient des ajouts, en quantités variables, de divers éléments. Sa composition, mais aussi les traitements thermiques subis, son revêtement de surface… font de l’acier un matériau comprenant de très nombreuses nuances (plus de 3 500) chacune adaptée à un emploi particulier. De plus, c’est un matériau en perpétuelle évolution.

Remarque : les aciers inoxydables, l’acier zingué, le fer chromé et le fer blanc, sont traités dans des chapitres particuliers.

Fabrication de l’acier à partir de minerai

La fabrication de l’acier est réalisée soit à partir de minerai pour 72 % de la production mondiale soit à partir de ferrailles pour 28 % de la production mondiale, voir la partie recyclage.

Principe

La réduction de l’oxyde de fer contenu dans le minerai est réalisée par le monoxyde de carbone formé à partir de coke dans un haut fourneau qui donne de la fonte. La température de fonctionnement du haut-fourneau permet d’obtenir de la fonte liquide surmontée d’un laitier également liquide renfermant une grande partie des impuretés. L’élaboration de la fonte est suivie par son affinage, par oxydation partielle du carbone, dans un convertisseur qui donne de l’acier, puis par un laminage à chaud et/ou à froid qui donne des produits longs (rails…) ou plats (tôles…).

Évolutions

Hauts fourneaux : développement de l’injection de charbon aux tuyères (de 130 à 200 kg/t de fonte) et de l’automatisation du fonctionnement (5 800 capteurs pour le haut fourneau n°4 de Dunkerque). L’injection de charbon permet de réduire la consommation de coke qui est ainsi d’environ 300 kg/t de fonte.

La durée de vie d’un haut fourneau est de l’ordre de 25 ans, la durée de fonctionnement en continu, entre deux réparations, de 12 ans, en moyenne.

Convertisseurs : un ajout de ferrailles peut être effectué à ce niveau.

  • par lance : LD (Linz-Donawitz), OLP (Oxygène-Lance-Poudre), LD-AC (LD-Arbed-CRM).
  • par le fond : LWS (Loire-Wendel-Sidelor).
  • par soufflage mixte (fond et lance) : par exemple, LBE (Lance-Brassage-Equilibre) : insufflation de gaz neutre par le fond d’un convertisseur à lance verticale.

Le développement de ces procédés a été lié à celui de la production massive de O2 transporté par oxyducs (voir le chapitre consacré au dioxygène).

En France, il n’y a plus de convertisseurs Bessemer-Thomas depuis 1980 et de fours Siemens-Martin depuis 1982. En France, fonctionnent 2 aciéries de conversion avec 2 LD à Dunkerque et Fos-sur-Mer.

Métallurgie en poche effectuée entre le convertisseur et la coulée. Elle permet les ajouts nécessaires à la qualité requise de l’acier, son homogénéisation, la désoxydation ou le dégazage (par le vide), la mise en température.

La coulée continue : actuellement concerne près de 97 % de l’acier produit en France. Elle remplace 3 opérations par une seule : coulée en lingots, réchauffage, laminage en demi-produit. L’acier est coulé dans un moule sans fond et donne directement un demi-produit.

Exemple d’une usine intégrée : Fos sur Mer : 4,5 millions de t/an

Réception des matières premières :

  • Minerai et charbon : 640 m de quai pour des bateaux de 230 000 t.
  • Chaux : le calcaire est extrait d’une carrière située à 25 km : 1 million de t/an, pour alimenter l’usine à chaux.

Préparation des minerais, cokéfaction et agglomération :

  • Concassage du minerai : 2 lignes de 300 t/h chacune comportant 3 concasseurs en série.
  • Cokerie : traite 2,3 millions de t/an de charbon pour produire 1,73 million de t/an de coke (1,48 pour les hauts-fourneaux, 0,25 pour l’agglomération du minerai), dans 108 fours. La cuisson dure 17,5 h, le coke est éteint par arrosage à l’eau.
  • L’agglomération du minerai est réalisée sur une chaîne de 5×110 m. La couche de minerai atteint au maximum 50 cm.

Hauts fourneaux : 2 de 2,5 millions de t/an chacun, soit 7 000 t/jour. Pour chaque haut-fourneau :

  • Caractéristiques : volume total : 3 049 m3, diamètre du ventre : 12,89 m, diamètre du creuset : 11,8 m, hauteur totale : 31,43 m, 28 tuyères. Le refroidissement des parois est assuré par de l’eau circulant en circuit fermé entre des plaques. Les hauts fourneaux ont été rénovés en 2007 et 2011.
  • Consommations (en kg/t de fonte) : minerai aggloméré : 1 500, minerai calibré : 200, coke : 315, charbon d’injection : 170.
  • Chauffage du vent : 3 cowpers avec pour chacun 58 000 m2 de surface de chauffe. Ils permettent d’atteindre des températures de 1250-1300°C.
  • Coulée : dans des poches-tonneaux de 450 t dans lesquelles un premier traitement de désulfuration par du carbure de calcium ou de la chaux est pratiqué.

Aciérie : 2 convertisseurs de 335 t.

  • Soufflage de dioxygène par lance et par le fond et soufflage de gaz neutres par le fond pour diminuer la teneur en carbone, manganèse et phosphore et éliminer le silicium de la fonte enfournée. Cette opération permet également d’assurer un brassage du liquide et la remontée des impuretés vers le laitier. Addition de chaux pour neutraliser le laitier et de dolomie pour protéger le revêtement réfractaire du convertisseur. Enfournement de ferrailles pour assurer l’équilibre thermique du bain.
  • Métallurgie en poche : passage du métal dans des installations de désulfuration puis d’affinage et de mise en température. Lors de la coulée en poches la composition est ajustée par ajout de ferro-alliages.

Coulée continue : 2 installations. Caractéristiques de l’installation la plus récente :

  • Capacité de production : 2,43 millions de t/an, vitesse de coulée : 1,8 m/min, largeur : 1,05 à 2,2 m, épaisseur : 0,22 m.

Laminage : par un train à bande de 4,5 millions de t/an de capacité. Caractéristiques :

  • 1 cage verticale, 5 cages horizontales dégrossisseuses et 7 cages finisseuses.
  • Épaisseurs visées : 1,2 à 20 mm, vitesse maximale de laminage atteinte : 97 km/h.

Bilan énergétique : pour produire 1 t de bobines laminées à chaud.

en millions de joules
Hauts fourneaux 12 828 Cokerie 2 109
Laminage à chaud 3 106 Coulée continue 232
Agglomération 2 876 Convertisseurs 176

Minerais pré-réduits

Dénommés DRI : Direct Reduced Iron ou HBI : Hot Briquetted Iron.

Élaboration :

Les fours électriques d’élaboration de l’acier utilisent principalement de la ferraille. Toutefois, pour des pays producteurs de gaz naturel, il peut être intéressant de réduire du minerai, à l’aide de gaz de synthèse obtenu à partir de gaz naturel ayant subi un reformage, et d’utiliser ce minerai pré-réduit pour alimenter des fours électriques. Le gaz de synthèse peut aussi être produit à l’aide de charbon, c’est le cas pour les 2/3 de la production indienne. Le procédé Midrex, utilisé pour environ 80 % de la production de minerais pré-réduits consiste à traiter, dans un four à cuve, à une température inférieure à 1100°C, le minerai par du gaz naturel reformé qui donne du monoxyde de carbone et du dihydrogène (voir le chapitre dihydrogène). Les réactions mises en jeu sont les suivantes :

Fe2O3 + 3 H2 = 2 Fe + 3 H2O

Fe2O3 + 3 CO = 2 Fe + 3 CO2

La température atteinte ne permet pas la fusion du fer, on obtient une « éponge » de fer. La teneur en fer atteint 92 à 93 % avec 1,4 à 2 % de carbone. Les capacités de production, par installation, peuvent atteindre 1 million de t/an.

D’autres procédés sont employés : four rotatif à l’aide de charbon, HyL, le plus ancien (1957), Fior, en lit fluidisé…

Production : la production mondiale est, en 2023, de 136,5 millions de t dont 0,3 million de t dans l’Union européenne (Allemagne et Suède).

en millions de t
Inde 49,6 Mexique 5,9
Iran 33,4 États-Unis 5,2
Russie 7,8 Algérie 4,0
Égypte 7,2 Émirats Arabes Unis 3,6
Arabie Saoudite 6,8 Oman 1,8

Source : World steel in figures

Recyclage à partir de ferrailles

Les ferrailles sont principalement utilisées dans des fours électriques à arc. Elles peuvent également être ajoutées, jusqu’à 30 %, à la fonte liquide dans les convertisseurs à oxygène (voir plus haut). Depuis les origines de la fabrication de l’acier, le recyclage a porté, dans le monde, sur 25 milliards de t.

Les ferrailles sont récupérées, broyées (par des broyeurs à marteaux) puis triées magnétiquement.

Le broyeur le plus puissant exploité par la société SIMS Metal Management (Australie, n°1 mondial du recyclage des métaux avec, en 2018, le recyclage de 7,7 millions de t de ferrailles) fonctionnant à Newport (Royaume-Uni) traite à l’heure, 450 véhicules pour donner 350 t de métal.

Origine des ferrailles

Elles proviennent des véhicules hors d’usage, des biens de consommation en fin de vie (électroménager, emballages…), de la démolition de bâtiments… mais aussi, pour 1/3, des chutes neuves de fabrication. Au total, la sidérurgie mondiale recycle, en moyenne, 600 millions de t/an d’acier. En 2017, les taux de recyclage sont de 85 % pour l’acier utilisé dans les constructions, avec une durée de vie de 40 à 70 ans, 90 % pour l’acier utilisé dans les automobiles avec une durée de vie de 7 à 15 ans, 90 % pour l’acier utilisé dans la construction de machines, avec une durée de vie de 10 à 20 ans, 50 % pour l’acier utilisé dans les équipements électriques et les appareil ménagers, avec une durée de vie de 4 à 10 ans. En moyenne, en 2013, le taux de recyclage est de 83 %.
On estime que dans le monde, sont utilisés 200 milliards d’emballages en acier, recyclés à 68 %, soit 7,2 millions de t/an d’acier.

  • En France, les taux de recyclage de l’acier sont de 95 % pour les automobiles, 75 % dans le bâtiment et l’électroménager, 62 % pour les emballages.
  • Pour chaque tonne d’acier recyclé sont économisés 1,1 t de minerai de fer, 630 kg de charbon, 55 kg de calcaire, 642 kWh et 287 litres de pétrole.

Récupération des ferrailles

En France, en 2014, en millions de t.

  • Collecte nationale de ferrailles : 12,9, dont chutes neuves : 2,3, démolition : 1,4, véhicules hors d’usage : 1,2.
  • Les ferrailles proviennent à 33,1 % des chutes de la sidérurgie et des industries de transformation de l’acier et 66,9 % de la récupération d’acier usagé.
  • Producteurs : n° 1 : Derichebourg qui a traité, en 2017, 3,7 millions de t de ferrailles avec 29 broyeurs-déchiqueteurs.

Commerce international : en 2023.
Principaux pays exportateurs sur un total de 99,1 millions de t, dont 44,7 millions de t par l’Union européenne.

en millions de t
États-Unis 16,3 France 6,3
Allemagne 7,5 Canada 4,8
Royaume Uni 7,2 Belgique 3,8
Pays Bas 7,1 Pologne 2,6
Japon 6,9 République tchèque 2,5

Source : World steel in figures et ITC

Les exportations des États-Unis sont destinées à 25 % à la Turquie, 20 % au Mexique, 10 % à l’Inde.

Principaux pays importateurs sur un total de 97,0 millions de t, dont 30,0 millions de t dans l’Union européenne.

en millions de t
Turquie 18,8 Bangladesh, en 2022 4,5
Italie 5,8 Vietnam, en 2022 4,2
États-Unis 5,1 Pays Bas 3,5
Belgique 4,0 Allemagne 3,2
Corée du Sud 3,8 Taipei chinois 3,4

Source : World steel in figures et ITC

Les importations turques proviennent à 24 % des États-Unis, 12 % des Pays Bas, 8 % d’Allemagne, 7 % du Royaume Uni.

Consommations de ferrailles, en 2023. Monde, en 2022 : 630 millions de t, Union européenne, en 2023 : 74,8 millions de t.

en millions de t
Chine 213,7 Corée du Sud 26,1
États-Unis 56,8 Italie, en 2017 21,6
Japon 31,8 Allemagne, en 2017 19,0
Turquie 29,1 Espagne, en 2017 11,1
Russie, en 2022 29,4 France, en 2017 7,2

Source : BIR

Fours électriques à arc

Ils utilisent directement de la ferraille ou des minerais pré-réduits, ces derniers représentant 15 % de la production mondiale d’aciers au four électrique.

Les fours à arc comportent 1 ou 3 électrodes. Les capacités vont de 10 à 220 t. Chaque coulée est effectuée, en moyenne, toutes les 50 à 60 minutes. Les fours les plus performants permettent 30 coulées/jour, le record étant de 7 850 coulées/an. La puissance des fours atteint 0,9 MVA/t, avec une consommation électrique de 320 kWh/t. La consommation de dioxygène est de 30 m3/t.

Les fours électriques à arc à courant continu, plus économiques que ceux à courant alternatif, sont de plus en plus employés.

Consommations, coproduits et émissions de la sidérurgie

Consommations moyennes selon la voie utilisée : en 2018, pour une tonne d’acier brut.

Voie haut fourneau – convertisseur Voie four électrique
Minerai de fer 1 370 kg 586 kg
Charbon 780 kg 150 kg
Calcaire 270 kg 88 kg
Acier recyclé 125 kg 710 kg
Énergie 19,8 à 31,2 GJ 9,1 à 12,5 GJ

Source : World Steel Association

  • Énergie : la consommation moyenne est, en 2013, de 20,0 GJ/t d’acier brut. En France, en 2013, la consommation d’énergie est de 5,245 millions tep, à partir de charbon et coke métallurgique à 65,2 %, d’électricité à 15,0 %, de gaz naturel à 9,9 %, de charbon et coke énergétique à 9,8 %, de fioul à 0,1 %.
  • Eau : 2,5 m3/t d’acier à Sollac Dunkerque.
  • Produits réfractaires : 13 kg/t d’acier brut.

Principaux coproduits de la sidérurgie :

  • Les laitiers de hauts fourneaux (300 kg/t d’acier) et les scories d’aciéries sont utilisés dans la construction routière, les cimenteries, la fabrication de laine de roche, la fertilisation. Ce sont des coproduits à forte valeur ajoutée. En 2020, la production de l’Union européenne est de 36,3 millions de t et la consommation de 33,2 millions de t à 63 % provenant des hauts-fourneaux et 37 % des aciéries.
    Les laitiers des hauts fourneaux sont destinés à 85 % à l’industrie cimentière, 12 % à la construction de routes. Ceux provenant des aciéries sont destinés à 57 % à la construction de routes, 25 % à la métallurgie, 5 % à l’industrie des engrais, 4 % aux cimenteries.
  • Les sous-produits des cokeries (sulfate d’ammonium…) sont utilisés en chimie.

Émissions : par t d’acier, dans des installations modernes : 2 kg de poussières, 2,45 kg de SO2. Les émissions de CO2 sont, en 2017, de 1,83 t/t d’acier, elles représentent 7 à 9 % du total des émissions mondiales par les énergies fossiles.

Par ailleurs, les hauts fourneaux sont susceptibles de détruire, par incinération, des déchets de matières plastiques non recyclables. Par exemple, en Allemagne, ces déchets sont introduits, en remplacement de pétrole, dans des hauts-fourneaux.

Productions d’acier brut

Production d’acier brut

En 2024, en millions de t sur un total de 1 883 millions de t. Source Worldsteel

En 2024. Monde : 1 883 millions de t, Union européenne : 129,5 millions de t.

en millions de t
Chine 1 005,1 Iran 31,0
Inde 149,6 Vietnam 22,1
Japon 84,0 Italie 20,0
États-Unis 79,5 Taipei chinois 19,1
Russie 70,7 Indonésie 17,0
Corée du Sud 63,5 Mexique 13,7
Allemagne 37,2 Canada 12,2
Turquie 36,9 Espagne 11,8
Brésil 33,7 France 10,8

Source : Worldsteel

Évolution de la production mondiale d’acier : source : Worldsteel Association

Commerce international

Principaux pays exportateurs : en 2023, sur un total de 434 millions de t, dont 39,2 millions de t pour l’Union européenne.

en millions de t
Chine 94,3 Belgique 14,6
Japon 32,2 Russie 13,9
Corée du Sud 27,0 Turquie 12,7
Allemagne 22,5 Brésil 12,3
Italie 16,1 Iran 11,9

Source : Worldsteel in figures

Principaux pays importateurs : en 2023, sur un total de 434 millions de t, dont 39,2 millions de t pour l’Union européenne.

en millions de t
États-Unis 26,4 Corée du Sud 15,0
Allemagne 18,7 Vietnam 14,0
Italie 18,7 Thaïlande 13,7
Turquie 18,0 Indonésie 12,4
Mexique 17,5 France 11,8

Source : Worldsteel in figures

La sidérurgie mondiale

Évolution de la répartition de la production mondiale :

Europe de l’Ouest Amérique du Nord ex URSS Japon Chine Autres pays
1930 44,9 % 43,8 % 6,1 % 2,4 % 2,8 %
1950 31,2 % 46,7 % 14,0 % 2,5 % 5,6 %
1970 33,9 % 21,9 % 19,5 % 15,7 % 9,0 %
1980 31,1 % 16,4 % 20,6 % 15,5 % 20,2 %
1990 21,8 % 13,1 % 20,0 % 14,3 % 9 % 21,8 %
1995 22,8 % 14,4 % 10,5 % 13,6 % 12,7 % 26,0 %
2010 9,7 % 6,7 % 8,0 % 7,1 % 46,4 % 22,0 %
2015 8,8 % 5,6 % 6,2 % 6,5 % 49,6 % 23,3 %
2020 7 % 4 % 5 % 4 % 57 % 23 %

Source : IISI, Steel Statistical Yearbook

Importance de la Chine : devenue n°1 mondial, la progression importante de la production mondiale de ces dernières années est principalement due à la Chine et dans une moindre mesure à l’Inde. Importatrice d’acier jusqu’en 2004, en 2005, la Chine a équilibré importations et exportations (27,3 millions de t d’acier importées pour 27,4 millions de t exportées). En 2023 elle est exportatrice nette avec 83,2 millions de t. Ses besoins en matières premières (minerai de fer, nickel…) sont considérables et font de la Chine un acteur important sur les marchés de matières premières.

Importance du Japon : 2ème producteur mondial jusqu’en 2016, doublé depuis par l’Inde. Le développement de la sidérurgie japonaise est récent : après la 2ème guerre mondiale. La production a été multipliée par 12 de 1955 à 1973. Le Japon n’a ni charbon ni minerai de fer. Cette situation est caractéristique de la modification de l’implantation géographique de la sidérurgie. En France, déclin de la Lorraine au profit du littoral : Dunkerque en 1962, Fos en 1975. La sidérurgie de la Corée du Sud a suivi la même voie que celle du Japon. En 2023, les exportations nettes du Japon sont de 26,3 millions de t.

La sidérurgie américaine est moins performante que la sidérurgie européenne : les produits japonais mais aussi européens sont compétitifs sur le marché américain. Les États-Unis sont importateurs nets avec, en 2023, 17,6 millions de t.

Le commerce international de l’acier est important : 434 millions de t en 2023. Bien que les pays en voie de développement construisent des sidérurgies nationales (c’est un critère de développement) ils restent globalement importateurs.

Union européenne : en 2023, les exportations de l’Union Européenne ont porté sur 10,660 millions de t de produits plats et 5,614 millions de t de produits longs et les importations sur 20,116 millions de t de produits plats et 5,466 millions de t de produits longs.
Les exportations de produits plats sont destinés à 17 % à la Turquie, 15 % aux États-Unis, 7 % au Mexique, 6 % à la Suisse, 4 % à l’Égypte, celles de produits longs, à 12 % à la Suisse, 11 % aux États-Unis, 9 % à la Turquie, 7 % au Canada, 6 % au Mexique.
Les importations de produits plats proviennent à 13 % de Corée du Sud, 13 % d’Inde, 11 % de Taipei chinois, 10 % du Vietnam, 9 % du Japon, celles de produits longs, à 20 % de Turquie, à 8 % de Chine, 7 % d’Égypte, 7 % de Suisse, 5 % de Malaisie, 5 % d’Algérie.
Les principales sociétés sidérurgiques européennes sont regroupées dans Eurofer.
Évolution de la sidérurgie européenne entre 1978 et 1998 : nombre de hauts fourneaux : de 281 à 89, nombre de convertisseurs à oxygène : de 193 à 95, nombre de fours électriques : de 539 à 195.
Nombre d’employés dans l’Union européenne, en 2024 : 303 520 dont 79 500 en Allemagne.

Carte de la sidérurgie de l’Union européenne, en 2021 (document d’Eurofer) : Utilisation mondiale des procédés de production : en 2023, en % de la production.

Pays Coulée continue Oxygène Électrique Martin
Monde 96,7 71,1 28,6 0,3
Union européenne 97,3 55,2 44,8 0
France 97,0 59,2 40,8 0
Allemagne 97,4 72,3 27,7 0
Italie 95,0 14,2 85,8 0
Japon 99,1 73,8 26,2 0
États-Unis 99,7 31,7 68,3 0
Russie 64,4 65,1 32,0 2,9
Chine 98,4 90,1 9,9 0

Source : Worldsteel, World steel in figures

Schéma simplifié de l’approvisionnement de la sidérurgie mondiale en millions de t de fer contenu, en 2019.

 

Principaux producteurs : en productions de 2023.

en millions de tonnes d’acier
China Baowu (Chine) 130,8 Tata Group (Inde) 29,5
ArcelorMittal (Luxembourg) 68,5 Delong Steel (Chine) 28,3
Ansteel Group (Chine) 55,9 JSW Steel (Inde) 26,2
Nippon Steel (Japon) 43,7 JFE Steel Corporation (Japon) 25,1
HBIS (Chine) 41,3 Hunan Steel (Chine) 24,8
Shagang Group (Chine) 40,5 Nucor Corporation (États-Unis) 21,2
Posco (Corée du Sud) 38,4 Fangda Steel (Chine) 19,6
Jianlong Group (Chine) 37,0 Shandong Steel Group (Chine) 19,5
Shougang Group (Chine) 33,6 Hyundai Steel (Corée du Sud) 19,2

Source : Worldsteel in figures

  • China Baowu est issu de la fusion, en décembre 2016, des groupes chinois Baosteel et Wuhan Steel Group.
  • A compter de 2006, après l’acquisition d’Arcelor par Mittal Steel, ArcelorMittal est devenu n°1 mondial jusqu’en 2019. Mittal avait dans un premier temps regroupé les activités des sociétés néerlandaises Ispat International et LNM Holding puis acquis ISG (International Steel Group). Arcelor était né en février 2002 de la fusion d’Usinor (France), Aceralia (Espagne) et Arbed (Luxembourg). Au préalable, Usinor avait repris, en 1998, le groupe belge Cockerill. En 2005, Arcelor avait absorbé le brésilien CST.
  • Depuis octobre 2012, la fusion des groupes japonais Nippon Steel et Sumitomo est effective.
  • JFE (Japan Fe Engineering) est né, en 2002, de la fusion de NKK et de Kawasaki Steel.

Situation française

En 2022, en milliers de t d’acier.

Production : 12 100 d’acier brut (19 200 en 2007, 12 800 en 2008).

  • Filière fonte : 8 155,
  • Filière électrique : 3 945.

Consommation apparente : 13 800.

Commerce extérieur : en 2020, en milliers de t d’acier, hors aciers inoxydables, ferrailles et ferroalliages.

Exportations : 9 617 avec la répartition suivante :

Espagne 29 % Belgique 15 %
Allemagne 19 % Turquie 7 %
Italie 15 % Royaume Uni 7 %

Source : ITC

Importations : 9 867 avec la répartition suivante :

Allemagne 26 % Italie 11 %
Belgique 23 % Pays Bas 6 %
Espagne 14 % Luxembourg 3 %

Source : ITC

Effectifs : 25 317 personnes (150 000 en 1978).

Hauts fourneaux :

Destinés à élaborer de l’acier :

  • 3 hauts fourneaux à Dunkerque (59), exploités par ArcelorMittal.
  • 2 hauts fourneaux à Fos-sur-Mer (13), exploités par ArcelorMittal.

Destiné à élaborer de la fonte ductile :

  • 1 haut fourneau à Pont-à-Mousson (54), exploité par Saint-Gobain PAM. L’introduction d’une faible quantité de magnésium dans la fonte grise permet de cristalliser le carbone sous forme de sphères de graphite au lieu de lamelles. Ce graphite sphéroïdal confère à la fonte une haute limite élastique et une grande résistance aux chocs. Elle est utilisée dans les canalisations, les regards de chaussée pour la voirie…

Aciéries électriques : en France fonctionnent 20 aciéries électriques.

Utilisations

Consommations apparentes finales d’acier

En 2023. Monde : 1 763,0 millions de t et 219,3 kg/habitant/an, Union européenne, en 2023 : 127,6 millions de t et 284,3 kg/habitant/an.

en millions de t et ( ) en kg/habitant/an
Chine 896 (628) Russie 45 (309)
Inde 133 (93) Turquie 38 (444)
États-Unis 91 (266) Mexique 29 (222)
Corée du Sud 55 (1057) Allemagne 28 (337)
Japon 53 (432) Brésil 24 (110)

Source : Worldsteel, World steel in figures

La consommation par habitant la plus importante, en 2018, est celle des Émirats Arabes Unis avec 941 kg/habitant/an, suivie de la Corée du Sud avec 807 kg/habitant/an, de Chypre avec 665 kg/habitant/an, de Taipei chinois avec 613 kg/habitant/an, du Canada avec 549 kg/habitant/an. Celle de la République Démocratique du Congo est de 1,4 kg/habitant/an.

Secteurs d’utilisation de l’acier

En 2023, dans le monde. Source : Worldsteel Association

Secteurs d’utilisation de l’acier : en 2023, dans le monde.

Construction et infrastructures 52 % Autres transports 5 %
Équipements mécaniques 16 % Équipements électriques 3 %
Automobiles 12 % Appareils ménagers 2 %
Fabrication d’objets métalliques 10 %

Source : Worldsteel Association

Dans l’Union européenne, en 2023, la construction représente 35,5 % des utilisations, l’automobile 19,1 %, les équipements mécaniques et électriques 14,7 %, la fabrication d’objets métalliques 14,4 %, les tubes 9,3 %, les appareils ménagers 2,3 %, les autres transports 2,8 %.

Le bâtiment et les travaux publics utilisent principalement des produits longs (poutrelles, ronds à béton…), l’automobile, par contre, utilise plutôt des produits plats (tôles…).

Les aciers spéciaux

Parmi les très nombreuses variétés d’aciers, on peut citer :

  • Les aciers inoxydables : contenant par exemple 18 % de Cr et 10 % de Ni pour les aciers austénitiques. En 2021, production de 58,289 millions de t dans le monde dont 270 000 t, en France. Pour plus de détails sur les aciers inoxydables voir ce chapitre.
  • Les aciers à roulements : contenant 1 % de C, 1,5 % de Cr.
  • Les aciers à outils : contenant jusqu’à 18 % de W, 1,5 % de C.
  • D’autres aciers alliés spéciaux : tôles pour transformateurs (3 % de Si), aciers à ressort (Mn-Si ou Cr-Mo-Si), aciers pour cryogénie (6 à 9 % de Ni), aciers pour chaudières (Mn-Mo ou Cr-Mo), aciers résistant à l’abrasion (13 % de Mn), aciers à dilatation nulle (Invar, 36 % de Ni), aciers magnétiques (Fe-Al-Ni), aciers réfractaires (25 % de Cr, 12 % de Ni).

Utilisations particulières

Les tôles sandwich : elles sont constituées par 2 tôles minces (0,3 à 0,7 mm) séparées par un film polymère de 45 micromètres. La résine est appliquée sur l’une des tôles puis l’ensemble est colaminé. Plus légères et résistantes que l’acier d’épaisseur équivalente, elles sont utilisées pour leurs propriétés d’insonorisation : les vibrations sont absorbées par le polymère (choisi pour que la température d’utilisation soit dans son domaine viscoélastique), par frottement des chaînes polymères, qui dissipe cette énergie sous forme de chaleur. Ces tôles, mises au point initialement au Japon, commencent à être utilisées dans les tabliers (pièce séparant le moteur de l’habitacle) des automobiles (gain de poids : 20 %), les tambours de sèche linge… Le dallage du sol de la Très Grande Bibliothèque a été réalisé en sandwich d’acier inoxydable.

Bâtiment, travaux publics : en France, la consommation dans ce secteur est de 4 millions de t/an dont 44 % de ronds à béton. Les constructions métalliques utilisent 700 000 t/an, dont 40 000 t/an pour les ponts métalliques. La construction du viaduc de Millau a consommé 62 550 t d’aciers. Le pont le plus long au monde (4 km), celui de Akashi-Kaikyo, au Japon, a utilisé 193 000 t d’acier.
Dans ce secteur, les consommations annuelles par habitant sont de 268 kg au Japon, 151 kg en Italie, 118 kg en Allemagne, 108 kg aux États-Unis, 108 kg en Espagne, 83 kg en France. Les normes antisismiques conduisent à employer plus d’acier dans les constructions, au Japon et en Italie (de 46 à 48 % des utilisation de l’acier dans ces pays). On assiste au développement de la construction de maisons individuelles à ossature en acier.

Automobiles : elles renferment, en moyenne, 960 kg d’acier contenu à 34 % dans la structure du véhicule, 23 % dans le moteur, 12 % dans les suspensions. De nouvelles nuances d’aciers, à hautes limites élastiques (la limite d’élasticité est passée de 200 à 1000 et jusqu’à 1400 MPa), AHSS (Advanced High Strentgh Steel ou dual phase), UHSS (Ultra High Strength Steel ou martensitique) sont de plus en plus utilisées.

Tubes : le producteur français Vallourec est le n°1 mondial des tubes sans soudure, laminés à chaud ou à froid. Ses capacités de production sont de 3 millions de t/an.

Rails : 400 km de ligne de TGV à 2 voies nécessitent 100 000 t de rail (60 kg/m). En France, une seule usine de production de rails à partir d’acier importé du Royaume-Uni, à Hayange (57). Depuis 2021, l’usine est contrôlée par le groupe Saarstahl. Les rails produits d’une longueur de 80 m (en 2017, les rails atteignent jusqu’à 150 m) étaient, pour la construction de la ligne TGV Est, soudés par la SNCF pour atteindre 400 m. La première phase de la construction de cette ligne, qui a débuté en 2002, a consommé 86 000 t de rails. Actuellement les rails produits ont une longueur de 108 m et la capacité de production est de 350 000 t/an. Dans le monde, la longueur du réseau ferré est de 1,052 million de km.

Signalisation routière : 200 000 t d’acier/an en Europe de l’Ouest.

Boules de pétanque : la société française Obut, à Saint-Bonnet-le-Château (42), en produit 300 t/mois, soit les 2/3 du marché mondial. Les boules sont fabriquées à partir de barres cylindriques cisaillées, forgées à plus de 1000°C pour donner des flans qui sont emboutis en coquilles soudées 2 à 2 qui subissent diverses finitions et traitements thermiques.

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