Données thermochimiques nécessaires aux bilans thermiques

Cet article met à la disposition des sidérurgistes l’ensemble des données thermochimiques nécessaires à l’établissement des bilans thermiques en pyrométallurgie et en particulier en sidérurgie.

Les données sont issues des compilations les plus récentes et en particulier des fichiers de la Banque de données thermochimiques exploités à la Station d’Essais de l’IRSID à Maizières-lès-Metz.

Ces données, exprimées dans les unités du système international (SI), sont pour la plupart présentées sous forme de tables générées automatiquement par ordinateur.

Le présent texte rassemble les données suivantes :

• variation d’enthalpie des corps purs (éléments et composés) entre 25 ^oC et t ^oC ;

• température et variation d’enthalpie des transformations de phase des corps purs ;

• enthalpie de formation des composés à diverses températures ;

• enthalpie de dissolution des éléments dans le fer liquide.

Par ailleurs, un paragraphe est consacré à la présentation des données thermochimiques relatives à des corps industriels complexes particulièrement importants en sidérurgie : laitiers liquides et solides, combustibles solides, liquides et gazeux, coke métallurgique et fonte solide et liquide.

Des exemples concrets d’utilisation des données en sidérurgie sont finalement traités.

Le bilan thermique d’un processus est l’une des étapes importantes dans l’étude d’un réacteur industriel. Les tableaux ci-après comportent les données thermochimiques nécessaires pour effectuer les calculs de bilans thermiques en pyrométallurgie et plus particulièrement en sidérurgie.

Ces données sont exprimées sous la forme de variation d’enthalpie du système considéré au cours d’élévations de température ou de réactions chimiques. Les valeurs sont extraites de la Banque de données thermochimiques Thermodata  et des autres compilations thermochimiques disponibles dans la littérature  .

Dans la première partie de cet article, le système étudié est constitué d’un corps pur que l’on échauffe entre 25 ^oC et une température t.

Dans la deuxième partie, le système est constitué de plusieurs corps qui réagissent entre eux dans des proportions stœchiométriques pour former un composé, réactifs et produits se trouvant à la même température t.

Les paragraphes suivants concernent le cas des phases plus complexes : solutions métalliques, laitiers et combustibles industriels. Des exemples d’utilisation des données en sidérurgie sont ensuite présentés.

Conformément aux dispositions légales, les unités choisies sont celles du système international (SI). En particulier, la seule unité d’énergie utilisée est un multiple du joule (J) :

Les données thermochimiques étaient autrefois exprimées en calories (cal_th ). La conversion utilise la relation :

Les températures, exprimées en degrés Celsius, sont déduites de l’échelle thermodynamique Kelvin, conformément à l’échelle internationale pratique de température EIPT 68.

Pour faciliter l’utilisation des tables, les données enthalpiques ont été rapportées, suivant le cas, au kilogramme de corps pur que l’on échauffe ou au kilogramme de produit de la réaction isotherme considérée. Cela doit bien entendu guider l’organisation des calculs des bilans matières qui précèdent nécessairement ceux du bilan thermique.

Dans le cas des gaz, le fait de rapporter les enthalpies à l’unité de masse permet d’éviter, à ce stade des calculs, les problèmes de volume massique des gaz réels dans les conditions normales (t = 0 ^oC, p = 1,013 bar).

À haute température, lorsque les gaz se rapprochent suffisamment de l’idéalité, leur volume peut être calculé simplement, connaissant le volume molaire V_mol des gaz :

D’où le volume V (m³) d’une masse M de gaz parfait (masse molaire M_mol ) à la température t ( ^oC) sous la pression p (bar) :

M et M_mol étant exprimées dans la même unité.

Les tableaux 4 et 17 ont été cependant ajoutés, en rapportant l’enthalpie au volume de gaz mesuré dans les conditions normales pour un petit nombre de corps stables à l’état gazeux dans les conditions normales.

La définition de l’enthalpie et les rappels théoriques concernant en particulier le premier principe de la thermodynamique sont présentés dans les articles de la rubrique Thermodynamique du traité Sciences fondamentales et dans l’article Formalisme et principes de la thermodynamique [AF 4 040] du même traité.