MÉTALLURGIE, 2 ÈME ANNEE, OPTION MECANIQUE GENERALE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC.

Préliminaires

Objectifs Pédagogiques du Cours 🎯

Ce cours a pour objectif de fournir au futur technicien en mécanique une connaissance fonctionnelle des matériaux métalliques, indispensable à une utilisation rationnelle et éclairée dans la conception, la fabrication ou la maintenance. L’ambition est de dépasser la simple reconnaissance des métaux pour atteindre une compréhension de la manière dont leur mode d’élaboration, de la mine au produit semi-fini, détermine leurs propriétés mécaniques et leurs applications potentielles. L’élève devra être capable de justifier le choix d’un acier ou d’une fonte pour une application donnée, en se basant sur les caractéristiques induites par son processus de fabrication.

Approche Didactique et Méthodologique 🎥

Conformément aux directives du programme national et conscient des difficultés logistiques pour organiser des visites d’usines sidérurgiques, l’enseignement privilégiera une approche visuelle et démonstrative. La démarche pédagogique s’appuiera massivement sur l’utilisation de supports iconographiques (schémas de principe, diapositives, films documentaires) pour illustrer les équipements colossaux et les processus à haute température. Une collection d’échantillons de minerais, de fontes, d’aciers bruts et de produits laminés sera systématiquement utilisée en classe pour ancrer les descriptions théoriques dans une réalité tangible. L’accent est mis sur la compréhension des principes et des enchaînements logiques plutôt que sur la mémorisation de réactions chimiques complexes.

Ressources et Matériel Didactique 📚

La réussite de ce cours repose sur la disponibilité de ressources visuelles et d’échantillons. L’établissement mettra à disposition un projecteur pour la diffusion de schémas et de films sur la sidérurgie. Une matériauthèque, contenant des échantillons de minerais de fer (hématite, magnétite), de combustibles (coke), de fondants, ainsi que des gueuses de fonte (blanche, grise, truitée) et des profilés en acier, est essentielle. Des manuels et des atlas de métallurgie illustrés serviront de support de référence pour les élèves. L’étude de cas portera sur des contextes congolais, tels que l’analyse des minerais de fer du Kasaï ou les besoins en aciers spécifiques pour l’industrie minière du Lualaba.

Partie I : Fondamentaux des Matériaux de Construction Mécanique

Cette partie introductive dresse un panorama des matériaux utilisés par le technicien et établit les critères de choix qui guident ses décisions. Elle pose les bases du vocabulaire technique et des concepts de propriétés qui seront utilisés tout au long de l’étude de la métallurgie.

Chapitre 1 : Panorama des Matériaux Industriels

Ce chapitre a pour but de situer les métaux ferreux, objet principal du cours, au sein de la grande famille des matériaux de l’ingénieur, en montrant les alternatives et les complémentarités.

1.1. Classification des Matériaux

Une vue d’ensemble des grandes classes de matériaux est présentée : les métaux et alliages (ferreux et non ferreux), les céramiques, les polymères (matières plastiques) et les composites. Leurs domaines d’application respectifs en mécanique sont illustrés par des exemples concrets (bâti de machine en fonte, engrenage en acier, carter de protection en polymère, bague de frottement en bronze).

1.2. Critères de Choix d’un Matériau

Cette section analyse les facteurs qui président au choix d’un matériau pour une pièce donnée. La discussion s’articule autour des propriétés mécaniques (résistance, dureté, élasticité), des propriétés physiques (masse volumique, conductivité), de la résistance à l’environnement (corrosion), de la facilité de mise en œuvre et, de manière cruciale, du coût économique.

Chapitre 2 : Propriétés Mécaniques des Matériaux

Ce chapitre définit les principales caractéristiques mécaniques que le technicien doit comprendre pour interpréter une fiche technique ou pour justifier l’emploi d’un matériau. Les essais de matériaux étant vus dans un autre cours, l’approche ici est descriptive et fonctionnelle.

2.1. Résistance aux Sollicitations

Les notions de résistance à la traction, à la compression, à la flexion, au cisaillement et à la torsion sont introduites et illustrées par des exemples de pièces mécaniques soumises à ces efforts (câble de levage, colonne de presse, arbre de transmission).

2.2. Dureté, Usure et Frottement

La dureté est présentée comme la capacité d’un matériau à résister à la pénétration. Son importance pour les pièces soumises à l’usure et à l’abrasion, une problématique récurrente dans les équipements miniers ou agricoles en RDC, est mise en exergue. Les qualités de frottement sont également abordées, notamment pour les coussinets et les glissières.

Partie II : De la Mine au Métal Brut : Les Grandes Étapes de la Métallurgie Extractive

Cette partie décrit les processus universels qui permettent de transformer un minerai, roche extraite du sol, en un métal suffisamment pur pour être utilisé. Elle suit le parcours de la matière depuis sa préparation jusqu’à son premier affinage.

Chapitre 3 : Le Minerai et sa Préparation

Avant toute opération chimique, le minerai doit subir une série de traitements mécaniques et physiques visant à augmenter sa concentration en métal utile et à le rendre apte aux étapes suivantes.

3.1. Nature des Minerais et de la Gangue

Les principales formes chimiques sous lesquelles les métaux se trouvent dans la nature (oxydes, sulfures, carbonates) sont décrites. La notion de gangue, la roche stérile associée au minerai, est définie. La teneur en métal est présentée comme un facteur économique décisif.

3.2. Concentration et Enrichissement

Les techniques de préparation des minerais sont passées en revue : le concassage et le broyage pour réduire la taille des roches, suivis par des méthodes d’enrichissement comme la flottation ou le triage magnétique, qui permettent de séparer le minerai de la gangue.

Chapitre 4 : Traitements Préliminaires et Principes de Réduction

Ce chapitre aborde les premières transformations chimiques subies par le minerai et les principes généraux de l’extraction du métal.

4.1. Opérations Thermiques Préliminaires

Le grillage des sulfures et la calcination (ou grillage) des carbonates sont expliqués comme des étapes visant à transformer ces minerais en oxydes, forme chimique plus facile à traiter par la suite.

4.2. Obtention du Métal Impur par Fusion Réductrice

Le principe fondamental de la métallurgie extractive est présenté : la réduction de l’oxyde métallique () par un agent réducteur (souvent le carbone  ou le monoxyde de carbone ) à haute température, selon la réaction de principe .

4.3. L’Affinage : Principe de Purification

L’affinage est défini comme l’ensemble des opérations visant à éliminer les impuretés restantes dans le métal brut obtenu après la réduction. Le principe de l’oxydation sélective des impuretés est introduit.

Partie III : La Sidérurgie : Élaboration de la Fonte au Haut Fourneau

Cette partie constitue une étude approfondie et détaillée du cœur de la production de métaux ferreux : le haut fourneau. C’est dans cette installation industrielle monumentale que le minerai de fer est transformé en fonte liquide.

Chapitre 5 : Les Matières Premières de la Sidérurgie

Le bon fonctionnement d’un haut fourneau dépend d’un chargement soigneusement préparé et dosé de trois types de matières solides, ainsi que de l’injection d’air chaud.

5.1. Minerais de Fer, Combustible et Fondants

Les différents types de minerais de fer sont décrits. Le rôle double du coke métallurgique (combustible et agent réducteur) est expliqué. La fonction du fondant (généralement du calcaire) est présentée : il permet de combiner les impuretés pour former un sous-produit liquide, le laitier.

Chapitre 6 : Le Haut Fourneau : Structure et Fonctionnement

L’architecture et la marche continue du haut fourneau sont au centre de ce chapitre. L’élève doit comprendre l’appareil comme un réacteur chimique géant fonctionnant à contre-courant.

6.1. Description de l’Installation

La structure du haut fourneau (cuve, ventre, étalages, creuset) et de ses annexes (gueulard, cowpers pour le réchauffage de l’air) est décrite à l’aide de schémas détaillés. Les ordres de grandeur (hauteur, production journalière) sont donnés pour illustrer le gigantisme de ces installations.

6.2. La Marche du Haut Fourneau

Le fonctionnement est expliqué par la descente des charges solides et la montée des gaz chauds. Les différentes zones de réactions (dessiccation, réduction, carburation, fusion) sont identifiées, et les principales transformations chimiques qui s’y opèrent sont simplifiées et expliquées.

Chapitre 7 : Les Produits du Haut Fourneau

Le haut fourneau produit simultanément trois substances : une liquide métallique (la fonte), un liquide non-métallique (le laitier) et des gaz.

7.1. La Fonte : Composition et Types

La fonte est définie comme un alliage de fer et de carbone (teneur > 2%). Les principaux types de fontes obtenues (grise, blanche, truitée) sont expliqués en fonction de l’allure de marche du fourneau. L’utilisation de la fonte pour le moulage ou pour la fabrication de l’acier est précisée.

7.2. Le Laitier et les Gaz : Valorisation des Sous-produits

Le rôle du laitier dans la protection et l’épuration de la fonte est rappelé. Ses utilisations (cimenterie, ballast pour les voies ferrées de la SNCC) sont mentionnées. L’utilisation des gaz de haut fourneau, riches en monoxyde de carbone, pour chauffer les cowpers est expliquée comme un exemple d’efficacité énergétique.

Partie IV : L’Aciérie : Transformation de la Fonte en Acier

Cette dernière partie est consacrée à l’élaboration de l’acier, qui est le matériau métallique le plus utilisé au monde. Elle décrit comment la fonte, fragile et riche en carbone, est affinée dans une aciérie pour devenir de l’acier, un matériau beaucoup plus résistant et polyvalent.

Chapitre 8 : Principes de l’Affinage de la Fonte en Acier

Ce chapitre explique le fondement chimique de l’aciérie : l’élimination contrôlée du carbone et des autres impuretés contenues dans la fonte par oxydation.

8.1. Décarburation par Oxydation

Le principe de l’affinage est présenté : on injecte de l’air ou de l’oxygène pur dans la fonte liquide pour brûler l’excès de carbone et les impuretés (silicium, manganèse, phosphore), dont l’oxydation produit la chaleur nécessaire à l’opération.

Chapitre 9 : Les Procédés d’Élaboration de l’Acier

Les trois grandes familles de procédés industriels pour la fabrication de l’acier sont décrites, chacune produisant des aciers de qualités et de coûts différents.

9.1. L’Affinage au Convertisseur

Les convertisseurs (type Thomas ou Bessemer) sont décrits comme des procédés rapides et massifs, produisant des aciers de construction courants par injection d’air ou d’oxygène. Leur adaptation au type de fonte (phosphoreuse ou non) est expliquée.

9.2. L’Affinage sur Sole (Four Martin)

Le four Martin est présenté comme un procédé plus lent et plus contrôlable, permettant d’utiliser de la ferraille en plus de la fonte et d’obtenir des aciers de meilleure qualité par dilution et oxydation.

9.3. L’Affinage au Four Électrique

Le four à arc électrique est décrit comme le procédé de choix pour la production d’aciers de haute qualité et d’aciers spéciaux (aciers alliés), grâce à un excellent contrôle de la température et de la composition chimique, et à sa capacité à recycler 100% de ferrailles.

Chapitre 10 : Produits Finis et Notions de Laminage

Ce dernier chapitre fait le lien entre l’acier liquide produit à l’aciérie et les formes commerciales solides utilisées dans l’industrie.

10.1. Notions sur le Laminage

Le principe du laminage à chaud est brièvement expliqué comme le principal procédé de mise en forme de l’acier, permettant de transformer les lingots ou les brames en produits longs (poutrelles, rails) ou plats (tôles).

10.2. Présentation Commerciale des Aciers

Les différentes formes sous lesquelles les aciers sont commercialisés et utilisées en construction mécanique et métallique sont présentées (profilés, barres, tôles), concluant ainsi le cycle de transformation du minerai au produit utilisable.

Annexes

Les annexes fournissent des données de référence et des outils terminologiques pour accompagner l’apprentissage tout au long de l’année.

Tableau des Propriétés Comparées des Matériaux 📊

Cette annexe propose un tableau synthétique comparant les propriétés mécaniques et physiques clés (masse volumique, module d’élasticité, résistance à la traction) des principaux aciers, fontes et alliages non ferreux.

Schémas de Filières de Production 🏭

Des schémas synoptiques illustrent les enchaînements d’opérations pour la filière fonte-acier et pour les principales métallurgies non ferreuses (cuivre, aluminium), offrant une vue d’ensemble des processus.

Glossaire des Termes de Métallurgie 📖

Un glossaire définit de manière claire et concise les termes techniques spécifiques à la métallurgie et à la sidérurgie, afin de consolider l’acquisition d’un vocabulaire professionnel précis.