COURS DE MÉTALLURGIE, 2ÈME ANNÉE HUMANITÉS TECHNIQUES, OPTION MÉCANIQUE AUTOMOBILE

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

0. PRÉLIMINAIRES ET CADRE PÉDAGOGIQUE

0.1. Objectifs Généraux du Cours

Ce programme vise l’acquisition des connaissances fondamentales sur l’élaboration des métaux ferreux, depuis l’extraction du minerai jusqu’à l’obtention de produits semi-finis. L’élève doit comprendre les processus physico-chimiques de transformation au sein du haut fourneau et des aciéries. La finalité est de permettre au futur mécanicien de distinguer les nuances de fontes et d’aciers qu’il manipulera sur les véhicules, en comprenant leur origine et leurs propriétés intrinsèques, essentielles pour le choix des pièces de rechange à Kinshasa ou à Lubumbashi.

0.2. Directives Méthodologiques

L’enseignement de la métallurgie en deuxième année technique privilégie une approche descriptive et technologique. Le professeur doit s’appuyer sur des échantillons réels de minerais, de fontes et d’aciers pour concrétiser les notions théoriques. L’utilisation de schémas industriels simplifiés du haut fourneau et des convertisseurs est impérative pour visualiser les flux de matières. Les visites industrielles, même dans des unités de recyclage de ferraille locales ou des fonderies artisanales, sont fortement encouragées pour ancrer l’apprentissage dans la réalité économique congolaise.

0.3. Sécurité et Normes Environnementales

La manipulation des métaux en fusion et les opérations de traitement thermique imposent une rigueur absolue en matière de sécurité. Ce module insiste sur les équipements de protection individuelle (EPI) contre la chaleur et les rayonnements, ainsi que sur la gestion des gaz toxiques émanant des fours. L’enseignant doit intégrer les notions de protection de l’environnement, notamment la gestion des laitiers et le recyclage des déchets métalliques, problématique cruciale dans les centres urbains comme Matadi ou Goma.

0.4. Prérequis et Liens Interdisciplinaires

La maîtrise des notions de base de chimie (oxydation, réduction) et de physique (chaleur, température de fusion) acquises en 1ère année est indispensable. Ce cours sert de fondation directe aux cours de Technologie Automobile et de Résistance des Matériaux dispensés ultérieurement. Il établit le lien entre la structure microscopique de la matière et les caractéristiques macroscopiques des pièces mécaniques automobiles telles que les blocs moteurs en fonte ou les châssis en acier.

PARTIE 1 : EXTRACTION ET PRÉPARATION DES MINERAIS ⛏️

Cette première partie explore les origines géologiques et les traitements initiaux nécessaires pour rendre les minerais exploitables par l’industrie sidérurgique. Elle définit les critères de rentabilité d’un gisement et détaille les opérations mécaniques et physiques de préparation de la charge. L’élève comprend ici l’importance de la richesse du minerai et les techniques utilisées pour séparer la matière utile de la gangue stérile, étape critique pour l’efficacité des hauts fourneaux.

Chapitre 1 : Les Minerais de Fer et leur Gisement

1.1. Définition et classification des minerais

Cette section identifie les principaux minerais ferrifères : oxydes (hématite, magnétite), carbonates (sidérite) et sulfures (pyrite). L’élève apprend à distinguer le minerai de la gangue et à calculer la teneur théorique en fer.

1.2. Prospection et extraction minière

L’étude couvre les méthodes d’extraction à ciel ouvert, fréquentes au Katanga, et souterraines. On aborde les contraintes logistiques liées au transport du minerai des sites d’extraction vers les centres de traitement.

1.3. Les gisements en République Démocratique du Congo

Analyse de la cartographie minière nationale, mettant en exergue les gisements de fer de Banalia, de l’Ituri et du Kasai. Ce point contextualise le potentiel sidérurgique du pays au-delà de l’exploitation du cuivre et du cobalt.

1.4. Notion de fondant et de combustible

Introduction aux matières premières complémentaires indispensables : le coke métallurgique (rôle thermique et chimique) et les fondants calcaires nécessaires à la formation du laitier et à l’épuration du métal.

Chapitre 2 : Traitements Mécaniques des Minerais

2.1. Le concassage et le broyage

Description des équipements (concasseurs à mâchoires, broyeurs à boulets) permettant de réduire la granulométrie des roches pour libérer les particules métalliques. L’importance de la taille des grains pour la réactivité chimique est soulignée.

2.2. Le criblage et le classement dimensionnel

Étude des techniques de tri granulométrique par cribles vibrants et hydrocyclones. L’élève comprend la nécessité d’obtenir une charge homogène pour assurer la perméabilité aux gaz dans le haut fourneau.

2.3. L’agglomération des fines

Explication des procédés de frittage et de pelletisation (bouletage) permettant de valoriser les poussières de minerai. Ces techniques sont essentielles pour optimiser le rendement matière et éviter l’étouffement des fours.

2.4. Le mélange et l’homogénéisation

Présentation des aires de stockage et de reprise visant à lisser les variations de composition chimique des minerais entrants, garantissant ainsi une marche stable des unités de production en aval.

Chapitre 3 : Enrichissement et Traitements Physiques

3.1. La séparation magnétique

Principe de tri basé sur les propriétés magnétiques de certains minerais comme la magnétite. Application industrielle pour l’élimination de la gangue siliceuse stérile.

3.2. La séparation gravimétrique

Utilisation des différences de densité entre le métal et la gangue dans des milieux denses ou sur des tables à secousses. Cette méthode est illustrée par des exemples d’exploitation artisanale en RDC.

3.3. Le principe de la flottation

Description du procédé physico-chimique utilisant des agents moussants et collecteurs pour séparer les particules fines en suspension. Ce procédé, bien que plus courant pour le cuivre, est abordé pour sa pertinence technique générale.

3.4. Traitement des oxydes et des sulfures

Distinction des méthodes spécifiques : lavage pour les oxydes et grillage pour les sulfures afin d’éliminer le soufre, élément fragilisant pour les aciers futurs.

Chapitre 4 : Préparation Thermique et Chimique (Affinage préliminaire)

4.1. Le grillage des minerais

Étude détaillée de l’opération chauffant le minerai en présence d’air pour transformer les sulfures et carbonates en oxydes réductibles et éliminer les matières volatiles.

4.2. La calcination

Analyse de la décomposition thermique des carbonates (calcaire) pour produire de la chaux vive, agent basique essentiel pour la neutralisation de la silice acide dans le haut fourneau.

4.3. Épuration physique et chimique

Synthèse des méthodes visant à réduire les teneurs en éléments nuisibles (phosphore, arsenic) avant l’entrée au four. On souligne l’impact de ces impuretés sur la qualité mécanique des pièces automobiles.

4.4. Préparation de la charge du haut fourneau

Calcul des proportions optimales de minerai, de coke et de fondant (lit de fusion) pour assurer un fonctionnement thermique et chimique équilibré, minimisant la consommation de combustible.

PARTIE 2 : PRODUCTION DE LA FONTE (SIDÉRURGIE) 🏭

Cette partie centrale détaille le fonctionnement du haut fourneau, réacteur chimique géant produisant la fonte brute. Elle analyse les zones thermiques, les réactions de réduction et la séparation de la fonte et du laitier. L’étude s’étend aux équipements périphériques et aux méthodes de refusion en fonderie (cubilot), technique pertinente pour la fabrication locale de pièces de rechange. L’élève acquiert la compréhension de la fonte liquide, alliage mère de toute la sidérurgie.

Chapitre 5 : Le Haut Fourneau : Description et Fonctionnement

5.1. Constitution et profil du haut fourneau

Description anatomique de l’enceinte : gueulard, cuve, ventre, étalages et creuset. Rôle des réfractaires et des systèmes de refroidissement pour résister aux températures extrêmes.

5.2. Les appareils annexes (Cowpers et soufflantes)

Étude du système de préchauffage de l’air (vent chaud) dans les régénérateurs Cowper et des machineries de soufflage. L’importance de l’air chaud pour le bilan thermique et l’économie de coke est démontrée.

5.3. Le chargement et la descente des charges

Mécanisme d’introduction des matières par le gueulard (système à cloches ou sans cloches) et cinétique de descente des solides à contre-courant des gaz réducteurs montants.

5.4. Les réactions chimiques et thermiques

Analyse zone par zone : séchage, réduction indirecte par le CO, réduction directe par le carbone solide, fusion et carburation du fer. Bilan des échanges thermiques et chimiques.

Chapitre 6 : Le Produit : La Fonte de Première Fusion

6.1. Composition chimique et classification

Définition de la fonte comme alliage fer-carbone (2 à 6,67% C). Distinction entre fonte hématite, fonte phosphoreuse et fontes spéciales en fonction des impuretés résiduelles.

6.2. Les différents types de fontes (Blanche, Grise, Truitée)

Caractérisation visuelle et métallurgique basée sur l’état du carbone (combiné en cémentite ou libre en graphite). Lien direct avec les propriétés d’usinabilité et de dureté des pièces automobiles.

6.3. Allure de marche : Chaude et Froide

Explication des réglages de température influençant la teneur en silicium et la nature de la fonte produite. Impact de l’allure sur la consommation de coke et la qualité du métal.

6.4. Le laitier : Formation et valorisation

Rôle du laitier dans la désulfuration et la protection du bain métallique. Utilisation des laitiers granulés dans l’industrie cimentière et la construction routière en RDC.

Chapitre 7 : Le Cubilot et la Fonderie de Seconde Fusion

7.1. Description et principe du cubilot

Étude du four vertical utilisé dans les fonderies pour refondre la fonte et les ferrailles. Comparaison de son fonctionnement avec celui du haut fourneau (taille, charge, flexibilité).

7.2. Le lit de fusion et les corrections

Méthodologie de dosage des matières métalliques (lingots, retours, ferrailles) et des ferro-alliages pour obtenir la nuance de fonte désirée pour le moulage de tambours de frein ou de carters.

7.3. La fonte électrique

Introduction aux fours à induction et à arc pour la production de fontes de haute qualité et de fontes alliées. Mention de l’usage de cette technologie pour le recyclage des métaux à Kinshasa.

7.4. Problèmes et défauts de moulage

Identification des défauts courants (soufflures, retassures, criques) liés à la qualité de la fonte liquide ou à la conception du moule. Analyse des causes et remèdes.

Chapitre 8 : Techniques de Moulage de la Fonte

8.1. Le moulage au sable

Technique traditionnelle de réalisation des empreintes avec du sable siliceux et des liants. Application à la fabrication de pièces massives comme les blocs-cylindres.

8.2. Le noyautage et les modèles

Confection des noyaux pour réaliser les cavités internes (chemises d’eau, conduits d’huile). Importance de la précision dimensionnelle des modèles en bois ou métal.

8.3. La coulée et le refroidissement

Paramètres critiques de la coulée : température, vitesse, système d’alimentation. Influence de la vitesse de refroidissement sur la microstructure (ferritique ou perlitique).

8.4. Parachèvement et ébavurage

Opérations de finition : décochage, sablage, meulage des attaques de coulée. Préparation des pièces brutes avant l’usinage mécanique en atelier.

PARTIE 3 : ÉLABORATION ET TRANSFORMATION DE L’ACIER 🏗️

La dernière partie traite de la conversion de la fonte en acier par oxydation des éléments excédentaires (carbone, silicium). Elle compare les procédés pneumatiques (convertisseurs) et les procédés sur sole (Martin, électrique), ce dernier étant crucial pour le recyclage. Enfin, elle aborde la transformation mécanique de l’acier (laminage, forgeage) et sa classification, préparant l’élève à identifier les matériaux constitutifs d’une automobile, des tôles de carrosserie aux arbres de transmission.

Chapitre 9 : Conversion de la Fonte en Acier (Affinage)

9.1. Principe de l’affinage pneumatique

Mécanisme d’oxydation sélective des impuretés par injection d’air ou d’oxygène. Réduction de la teneur en carbone de 4% à moins de 1,7%. Rôle exothermique des réactions.

9.2. Le procédé Bessemer et Thomas (Historique)

Aperçu des convertisseurs acides et basiques historiques. Compréhension de la déphosphoration (procédé Thomas) et de ses limites, fondement des procédés modernes.

9.3. Le convertisseur à l’oxygène pur (LD / OLP)

Étude du procédé dominant (Linz-Donawitz) utilisant une lance à oxygène supersonique. Avantages en termes de rapidité, de qualité de l’acier et de possibilité de recycler des ferrailles.

9.4. La coulée de l’acier : Lingots et Coulée Continue

Description de la solidification de l’acier liquide. Transition technologique de la coulée en lingotières vers la coulée continue produisant directement des brames et billettes, standard actuel de l’industrie.

Chapitre 10 : Procédés d’Élaboration Spéciaux

10.1. Le four Martin-Siemens (Acier sur sole)

Analyse du procédé sur sole chauffée par régénération. Capacité à traiter de grandes quantités de ferrailles, bien que énergivore. Importance historique pour les aciers de qualité.

10.2. L’acier électrique (Four à Arc)

Fonctionnement du four à arc électrique (EAF), outil privilégié pour le recyclage des ferrailles automobiles et la production d’aciers spéciaux. Pertinence pour les mini-aciéries projetées en RDC (cas de Maluku).

10.3. Le four à induction

Utilisation des courants induits pour la fusion propre et précise d’alliages à haute valeur ajoutée. Application aux aciers inoxydables et réfractaires.

10.4. L’affinage en poche et le dégazage sous vide

Traitements ultimes de l’acier liquide hors du four (métallurgie secondaire) pour ajuster la composition fine et éliminer les gaz dissous (hydrogène), garantissant la fiabilité des aciers à haute résistance.

Chapitre 11 : Transformation Mécanique de l’Acier

11.1. Le laminage à chaud

Principe de réduction de section par passage entre des cylindres tournants. Production de tôles fortes, de poutrelles et de ronds à béton. Modification de la structure cristalline par écrouissage et recristallisation.

11.2. Le laminage à froid et l’étirage

Techniques de finition pour obtenir des tôles fines (carrosserie) et des fils (tréfilage). Amélioration des états de surface et durcissement du métal par écrouissage.

11.3. Le forgeage et l’estampage

Mise en forme par choc ou pression pour orienter le fibrage du métal. Fabrication de pièces de sécurité automobile (bielle, vilebrequin) nécessitant une grande résistance à la fatigue.

11.4. Les défauts des lingots et produits laminés

Identification des imperfections structurelles : ségrégations, retassures, pailles, inclusions. Moyens de contrôle non destructif pour assurer l’intégrité des pièces mécaniques.

Chapitre 12 : Classification et Utilisation des Aciers

12.1. Les aciers ordinaires (d’usage général)

Propriétés et normalisation des aciers au carbone de base utilisés pour la construction métallique et les éléments peu sollicités. Critères de soudabilité.

12.2. Les aciers de construction mécanique

Aciers destinés au traitement thermique (trempe, revenu) pour la fabrication d’arbres, d’engrenages et de boulonnerie haute résistance (classe 8.8, 10.9).

12.3. Introduction aux aciers spéciaux et alliés

Présentation sommaire de l’influence des éléments d’addition (Chrome, Nickel, Molybdène). Distinction entre aciers faiblement alliés et fortement alliés (Inox).

12.4. Applications automobiles spécifiques

Corrélation entre types d’aciers et pièces du véhicule : aciers à ressort pour la suspension, aciers HLE (Haute Limite Élastique) pour la structure de sécurité, aciers réfractaires pour l’échappement.

ANNEXES

Annexe A : Carte des Ressources Minérales de la RDC

Représentation schématique des principaux gisements de fer, manganèse et charbon en République Démocratique du Congo, situant les zones de Banalia, Kisangani et du Katanga.

Annexe B : Schéma Synoptique de la Sidérurgie

Diagramme de flux complet illustrant la filière fonte et la filière acier, depuis la mine jusqu’au produit semi-fini, servant de résumé visuel pour les élèves.

Annexe C : Tableau des Températures de Fusion

Liste de référence des points de fusion des principaux métaux et alliages (Fer pur, Fonte eutectique, Acier doux, Cuivre, Aluminium) pour les travaux pratiques de soudage et de fonderie.

Annexe D : Lexique Métallurgique

Définitions concises des termes techniques essentiels (Gangue, Laitier, Eutectique, Austénite, Martensite, Écrouissage) pour faciliter la lecture des manuels techniques.