Schématiser les procédés de synthèse ou de transformation (partie 6/6)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - décrire les principes fondamentaux des procédés Hall‑Héroult (aluminium) et LD (acier) ; - réaliser le schéma de procédé correspondant à chaque filière, en utilisant les symboles normalisés ; - interpréter un schéma de procédé industriel et en extraire les données de fonctionnement (débits, consommations d’énergie, matières premières) ; - appliquer les règles de sécurité et d’hygiène spécifiques à ces unités de transformation. **Prérequis** : notions de base en chimie générale (oxydo‑réduction, équilibrage d’équations), en physique (courant électrique, chaleur spécifique), et lecture de schémas simples (blocs, flux). ## Introduction contextualisée Au Cameroun, la valorisation du bauxite (principalement extraite dans les régions de l’Adamawa et de l’Est) et la transformation du minerai de fer (sites de Mbalam‑Nabeba dans l’Est) sont des leviers stratégiques pour l’industrialisation. Maîtriser le schéma de procédé permet au technicien de suivre la matière première depuis l’extraction jusqu’au produit fini, d’optimiser la consommation d’énergie et de garantir le respect des normes environnementales (décret n° 2018/045 du MINMEE). ## I. Production de l’aluminium (Procédé Hall‑Héroult) ### A. Principe du procédé Le procédé Hall‑Héroult repose sur l’électrolyse de l’alumine (Al₂O₃) dissoute dans un bain de cryolithe fondu (Na₃AlF₆) à environ 960 °C. La réaction globale est : \[ \text{2 Al}_2\text{O}_3 + 3 \text{C} \rightarrow 4 \text{Al} + 3 \text{CO}_2 \] > L’aluminium métallique se forme à la cathode ; le dioxyde de carbone se dégage à l’anode. ### B. Étapes du procédé 1. **Préparation de l’alumine** – broyage et calcination du bauxite (Procédé Bayer). 2. **Alimentation du bain** – ajout d’alumine préchauffée dans la cuve électrolytique. 3. **Électrolyse** – passage d’un courant continu de 150 kA sous une tension de 5 V ; température maintenue par effet Joule. 4. **Collecte du métal** – l’aluminium liquide est siphonné toutes les 24 h et coulé en lingots. 5. **Gestion des gaz** – le CO₂ est capté, filtré et éventuellement valorisé (production de carbonate de sodium). ### C. Schéma de procédé | Étape | Symbole ISO 1219 | Description courte | |-------|------------------|--------------------| | Broyage du bauxite | 🔧 (broyeur) | Réduction de la taille des particules | | Calcination (Bayer) | 🔥 (four) | Obtention d’Al₂O₃ pur | | Cuve électrolytique | ⚡ (cuve) | Électrolyse bain cryolithe/alumine | | Collecte Al liquide | 🏺 (coulée) | Siphonnage et lingotage | | Traitement CO₂ | 🌫️ (lavage) | Captage et neutralisation | > Le schéma doit respecter le sens du flux de matière (de gauche à droite) et indiquer les entrées/sorties d’énergie (électricité, chaleur). ### D. Normes de sécurité - Port de lunettes anti‑UV et de gants résistants aux projections de métal fondu. - Surveillance continue de la tension et du courant pour éviter les surchauffes (déclenchement automatique au-delà de 180 kA). - Ventilation locale pour évacuer le CO₂ ; détecteurs de gaz obligatoires (seuil d’alarme 0,5 % V/V). ## II. Production des aciers (Procédé LD – convertisseur à oxygène) ### A. Principe du procédé Le convertisseur LD transforme la fonte liquide (riches en carbone, Si, Mn) en acier par soufflage d’oxygène pur. L’oxygène oxyde les éléments indésirables selon : \[ \text{Fe} + \text{O}_2 \rightarrow \text{FeO} \quad ; \quad \text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 \] > La réaction est exothermique ; la chaleur générée maintient la température autour de 1 600 °C sans apport externe. ### B. Étapes du procédé 1. **Chargement** – fonte liquide provenant du haut fourneau versée dans le convertisseur (≈ 250 t). 2. **Soufflage d’oxygène** – débit de 200 Nm³/min pendant 15‑20 min ; l’oxygène réagit avec le C, Si, Mn, P. 3. **Échantillonnage et contrôle** – prélèvement toutes les 2 min pour analyser le %C et la température. 4. **Ajout d’alliages** – ferromanganèse, ferrosilicium, chaux (pour former la scorie). 5. **Tapage** – ouverture du bassin et écoulement de l’acier liquide vers la coulée continue ou les lingotières. 6. **Traitement de la scorie** – refroidissement, récupération pour usage routier ou cimentier. ### C. Schéma de procédé | Étape | Symbole ISO 1219 | Description | |-------|------------------|-------------| | Haut fourneau | 🏭 (réacteur) | Production de fonte liquide | | Convertisseur LD | 💨 (souffleur d’O₂) | Oxydation du carbone et des impuretés | | Station d’alliage | ⚖️ (doseur) | Ajout de FeMn, Si, chaux | | Coulée continue | 🏺 (coulée) | Formation de brames ou de blooms | | Traitement scorie | 🌫️ (refroidisseur) | Refroidissement et valorisation | > Le schéma indique clairement les flux de matière (fonte, oxygène, alliages, scorie) et les flux d’énergie (chaleur de réaction, refroidissement). ### D. Normes de sécurité - Équipement de protection individuelle (EPI) : masque de protection contre les fumées (filtre P3), combinaison ignifuge. - Détecteurs de monoxyde de carbone (CO) et de dioxyde de soufre (SO₂) autour du convertisseur. - Procédure d’arrêt d’urgence (coupure du souffle d’O₂, injection d’azote pour inertage). - Surveillance de la pression interne du convertisseur (max 0,3 MPa) pour éviter les surpressions. ## III. Schématisation des procédés de synthèse ou de transformation ### A. Symboles normalisés (ISO 1219) - **Bloc de procédé** : rectangle avec double ligne, nom du procédé à l’intérieur. - **Flux de matière** : flèche pleine, légende indiquant le composé et le débit (kg/h). - **Flux d’énergie** : flèche pointillée, légende (électricité kW, vapeur kg/h). - **Valve** : triangle, **pompe** : cercle avec une flèche intérieure. ### B. Lecture d’un schéma de procédé 1. Identifier les entrées (matières premières, énergie). 2. Suivre le sens des flèches de matière vers les unités de traitement. 3. Noter les points de prélèvement (échantillons, contrôles qualité). 4. Repérer les boucles de recyclage (ex. : retour de scorie au haut fourneau). 5. Vérifier les dispositifs de sécurité (soupapes, détecteurs). > Un schéma bien lisible permet de réaliser un bilan matière et énergie en moins de 15 minutes. ### C. Exemple de schéma complet (aluminium + acier) *(Description texte, pas de dessin)* - Entrée bauxite → Broyeur → Four Bayer → Alumine → Cuve électrolytique Hall‑Héroult → Aluminium liquide → Lingotage. - Entrée minerai de fer → Haut fourneau → Fonte liquide → Convertisseur LD → Alliage → Coulée continue → Produits longs (poutrelles, barres). - Flux d’électricité : 15 MW dédiés à la cuve électrolytique. - Flux d’oxygène : 200 Nm³/min au LD. - Boucle de recyclage : scorie LD → ajout de chaux → retour au haut fourneau comme fondant. ## Synthèse du chapitre - Le procédé Hall‑Héroult électrolyse l’alumine dans un bain de cryolithe fondu à 960 °C, produisant de l’Al liquide et du CO₂. - Le procédé LD oxyde la fonte liquide par soufflage d’O₂ pur, générant de l’acier liquide et de la scorie riche en CaO‑SiO₂. - Les schémas de procédé utilisent les symboles ISO 1219 pour représenter unités, flux de matière et d’énergie, ainsi que les dispositifs de sécurité. - La lecture d’un schéma permet d’établir les bilans matière (débit d’entrée = débit de sortie + accumulation) et énergie (électricité consommée = chaleur de réaction + pertes). - Sécurité : EPI spécifiques, surveillance des gaz (CO₂, CO, SO₂), dispositifs d’arrêt d’urgence et ventilation adaptée. ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Alumine | Oxyde d’aluminium (Al₂O₃) obtenu après calcination du bauxite. | | Cryolithe | Fluorure double de sodium et d’aluminium (Na₃AlF₆), solvant électrolytique du procédé Hall‑Héroult. | | Courant continu (CC) | Courant électrique unidirectionnel utilisé dans l’électrolyse. | | Convertisseur LD | Vaisseaux où la fonte est oxygénée par soufflage d’oxygène pur pour produire de l’acier. | | Scorie | Sous‑produit vitreux formé lors de l’oxydation de la fonte, principalement composé de CaO, SiO₂, Al₂O₃. | | Bouchage | Opération de fermeture du tuyère d’un convertisseur pour contrôler le débit d’O₂. | | Coulée continue | Procédé de solidification du métal liquide en profilés longs sans interruption. | | Bilan matière | Équation assurant que la masse totale entrant égale la masse totale sortant d’un système. | | Effet Joule | Production de chaleur par passage d’un courant électrique dans une résistance conductrice. | | EPI | Équipement de Protection Individuelle (casque, lunettes, gants, combinaison). | ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Bilan d’énergie du procédé Hall‑Héroult Une cuve électrolytique fonctionne à 150 kA et 5 V. Calculer la puissance électrique consommée et l’énergie nécessaire pour produire 1 tonne d’aluminium, sachant que le rendement énergétique du procédé est de 13 kWh/kg Al. **Corrigé** - Puissance : \(P = U \times I = 5 \text{V} \times 150 000 \text{A} = 750 000 \text{W} = 750 \text{kW}\). - Énergie pour 1 t (1 000 kg) : \(E = 13 \text{kWh/kg} \times 1 000 \text{kg} = 13 000 \text{kWh}\). - Vérification : énergie fournie par la cuve en 1 h = \(750 \text{kW} \times 1 \text{h} = 750 \text{kWh}\). Donc il faut environ \(13 000 / 750 ≈ 17,3 \text{h}\) de fonctionnement à pleine charge pour obtenir 1 t d’Al. ### Exercice 2 – Lecture de schéma et débit d’oxygène Sur le schéma d’un convertisseur LD, le débit d’oxygène indiqué est de 200 Nm³/min. Si la durée moyenne du soufflage est de 18 min, calculer le volume total d’O₂ utilisé et la masse correspondante (masse volumique de l’O₂ à 0 °C, 1 atm = 1,429 kg/m³). **Corrigé** - Volume total : \(V = 200 \text{Nm³/min} \times 18 \text{min} = 3 600 \text{Nm³}\). - Masse : \(m = V \times \rho = 3 600 \text{m³} \times 1,429 \text{kg/m³} = 5 144,4 \text{kg}\) ≈ 5,14 t d’O₂. ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / correction | |----|------------------|-------------|-----------------------------------| | 1 | Oublier de vérifier la température du bain avant d’ajouter de l’alumine | Risque de projection de métal fondu et de dégradation de la cryolithe | Toujours mesurer la température (pyromètre) ; l’ajout ne se fait qu’entre 940 °C et 980 °C. | | 2 | Utiliser un tuyau d’oxygène non détendu pour le soufflage LD | Surcharge de pression pouvant entraîner une rupture du convertisseur | Installer un détendeur et une vanne de sécurité réglée à 0,3 MPa ; contrôler la pression avant chaque soufflage. | | 3 | Négliger le port du masque anti‑UV lors de l’observation de la cuve électrolytique | Lésions oculaires (photokératite) | Porter systématiquement des lunettes filtrant les UV < 400 nm ; vérifier l’état des verres avant chaque poste. | | 4 | Ne pas évacuer correctement le CO₂ dégagé en Hall‑Héroult | Accumulation de gaz pouvant atteindre des niveaux toxiques (> 5 % V/V) | Vérifier le débit du système d’extraction ; installer des détecteurs de CO₂ avec alarme à 0,5 % V/V. | | 5 | Omettre l’étape de déphosphoration (ajout de chaux) dans le LD | Acier contenant trop de phosphore → fragilité à froid | Ajouter systématiquement 3‑5 % de chaux en fonction de la teneur en P de la fonte ; contrôler le %P après chaque coulée. | | 6 | Utiliser une pompe de refroidissement non adaptée pour la scorie LD | Débit insuffisant → surchauffe et risque d’explosion de vapeur | Sélectionner une pompe conforme au débit calculé (Q = m·Cp·ΔT/ t) ; effectuer un test de mise en service avant chaque campagne. | --- *Fin du cours.*