Introduction
La production de fer à partir de son minerai implique une réaction d’oxydoréduction réalisée dans un haut fourneau. Le fourneau est rempli à sa partie supérieure d’oxyde de minerai de fer le plus souvent de l’hématite (\(Fe_2O_3\)) mais peut également contenir de la magnétite (\(Fe_3O_4\)), du carbone appelé coke et du calcaire (\(CaCO_3\)). Dans le cadre de cette discussion, l’oxyde de fer hématite (\(Fe_2O_3\)) sera présenté. Pour l’anecdote, l’hématite tire son nom du mot grec qui signifie « semblable au sang », en raison de la couleur d’une de ses formes de poudre. Les Grecs anciens croyaient que de grands dépôts d’hématite se formaient à partir de batailles qui étaient livrées et que le sang de ces batailles s’écoulait dans le sol.
Pour commencer le processus, un souffle d’air chaud est forcé au bas du fourneau qui aide à créer une grande variation de température avec le bas étant 2273 K et le haut 473 K. La quantité d’oxygène est strictement contrôlée de sorte que le monoxyde de carbone est le produit principal comme indiqué:
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De même, le carbone et le monoxyde de carbone contribuent tous deux à la réduction de l’oxyde de fer (III) pour donner le métal impur comme indiqué :
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L’une des parties les plus intéressantes de cette réaction d’oxydoréduction est que la majorité du dioxyde de carbone formé est lui-même réduit lorsqu’il entre en contact avec le coke non brûlé et produit plus d’agent réducteur. Au fur et à mesure que le processus se poursuit, le fer en fusion s’écoule dans le four et s’accumule au fond, où il est évacué par une ouverture sur le côté. Lorsqu’il refroidit, le fer impur est cassant et dans certains cas mou en raison de la présence des petites impuretés, telles que le soufre et le phosphore.
Donc, le fer impur provenant du fond du four est encore purifié. La méthode la plus courante est le four à oxygène de base. Dans ce four, de l’oxygène est insufflé dans le fer impur. C’est vital car l’oxygène oxyde le phosphore et le soufre indiqués dans les réactions d’oxydoréduction suivantes :
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Les oxydes s’échappent sous forme de gaz ou réagissent avec les oxydes basiques qui sont ajoutés ou utilisés pour garnir le four. Cette dernière étape de purification élimine une grande partie des impuretés et le résultat est un acier ordinaire au carbone. Ainsi, le fer est obtenu par le processus d’oxydation-réduction.