Gunnar Nordberg
Occurrence et utilisations
Le fer est le deuxième en abondance parmi les métaux et le quatrième parmi les éléments, surpassé seulement par l'oxygène, le silicium et l'aluminium. Les minerais de fer les plus courants sont : l'hématite, ou minerai de fer rouge (Fe2O3), qui est à 70 % de fer ; limonite ou minerai de fer brun (FeO(OH)·nH2O), contenant 42 % de fer ; magnétite ou minerai de fer magnétique (Fe3O4), qui a une forte teneur en fer ; sidérite ou minerai de fer spathique (FeCO3); pyrite (FeS2), le minéral sulfuré le plus courant ; et la pyrrhotite, ou pyrite magnétique (FeS). Le fer est utilisé dans la fabrication de pièces moulées en fer et en acier, et il est allié à d'autres métaux pour former des aciers. Le fer est également utilisé pour augmenter la densité des fluides de forage de puits de pétrole.
Alliages et composés
Le fer lui-même n'est pas particulièrement résistant, mais sa résistance est considérablement accrue lorsqu'il est allié au carbone et refroidi rapidement pour produire de l'acier. Sa présence dans l'acier explique son importance en tant que métal industriel. Certaines caractéristiques de l'acier, c'est-à-dire qu'il soit doux, doux, mi-dur ou dur, sont largement déterminées par la teneur en carbone, qui peut varier de 0.10 à 1.15 %. Une vingtaine d'autres éléments sont utilisés dans des combinaisons et des proportions variées dans la production d'alliages d'acier avec de nombreuses qualités différentes : dureté, ductilité, résistance à la corrosion, etc. Les plus importants d'entre eux sont le manganèse (ferromanganèse et spiegeleisen), le silicium (ferrosilicium) et le chrome, dont il est question ci-dessous.
Les composés de fer industriels les plus importants sont les oxydes et le carbonate, qui constituent les principaux minerais à partir desquels le métal est obtenu. D'importance industrielle moindre sont les cyanures, les nitrures, les nitrates, les phosphures, les phosphates et le fer carbonyle.
Dangers
Les dangers industriels sont présents lors de l'extraction, du transport et de la préparation des minerais, lors de la production et de l'utilisation du métal et des alliages dans les aciéries et les fonderies, et lors de la fabrication et de l'utilisation de certains composés. L'inhalation de poussière ou de vapeurs de fer se produit dans l'extraction du minerai de fer; soudage à l'arc; meulage, polissage et travail des métaux; et dans l'entartrage des chaudières. S'il est inhalé, le fer est un irritant local pour les poumons et le tractus gastro-intestinal. Des rapports indiquent qu'une exposition à long terme à un mélange de fer et d'autres poussières métalliques peut altérer la fonction pulmonaire.
Des accidents sont susceptibles de se produire lors de l'extraction, du transport et de la préparation des minerais en raison des lourdes machines de coupe, de transport, de concassage et de tamisage utilisées à cette fin. Des blessures peuvent également résulter de la manipulation d'explosifs utilisés dans les opérations minières.
L'inhalation de poussières contenant de la silice ou de l'oxyde de fer peut entraîner une pneumoconiose, mais il n'existe pas de conclusions définitives quant au rôle des particules d'oxyde de fer dans le développement du cancer du poumon chez l'homme. Sur la base d'expériences sur des animaux, on soupçonne que la poussière d'oxyde de fer peut servir de substance "co-cancérigène", favorisant ainsi le développement du cancer lorsqu'elle est combinée simultanément avec une exposition à des substances cancérigènes.
Des études de mortalité des mineurs d'hématite ont montré un risque accru de cancer du poumon, généralement chez les fumeurs, dans plusieurs zones minières telles que Cumberland, Lorraine, Kiruna et Krivoi Rog. Les études épidémiologiques sur les travailleurs des fonderies de fer et d'acier ont généralement noté des risques de cancer du poumon élevés de 1.5 à 2.5 fois. Le Centre international de recherche sur le cancer (CIRC) classe la fonte du fer et de l'acier comme un processus cancérogène pour l'homme. Les agents chimiques spécifiques impliqués (par exemple, les hydrocarbures aromatiques polynucléaires, la silice, les fumées métalliques) n'ont pas été identifiés. Une incidence accrue de cancer du poumon a également été signalée, mais de façon moins significative, chez les broyeurs de métaux. Les conclusions concernant le cancer du poumon chez les soudeurs sont controversées.
Dans des études expérimentales, l'oxyde ferrique ne s'est pas avéré cancérigène; cependant, les expériences n'ont pas été réalisées avec de l'hématite. La présence de radon dans l'atmosphère des mines d'hématite a été suggérée comme un important facteur cancérogène.
Des accidents graves peuvent survenir dans le traitement du fer. Des brûlures peuvent survenir au cours du travail avec du métal en fusion, comme décrit ailleurs dans ce Encyclopédie. La poudre de fer fraîchement réduite finement divisée est pyrophorique et s'enflamme lorsqu'elle est exposée à l'air à des températures normales. Des incendies et des explosions de poussière se sont produits dans des conduits et des séparateurs d'usines d'extraction de poussière, associés à des meules et à des meules de polissage et à des courroies de finition, lorsque des étincelles provenant de l'opération de meulage ont enflammé les fines poussières d'acier dans l'usine d'extraction.
Les propriétés dangereuses des composés de fer restants sont généralement dues au radical auquel le fer est associé. Ainsi arséniate ferrique (FeAsO4) et arsénite ferrique (FeAsO3·Fé2O3) possèdent les propriétés toxiques des composés arsenicaux. Fer carbonyle (FeCO5) est l'un des carbonyles métalliques les plus dangereux, ayant à la fois des propriétés toxiques et inflammables. Les carbonyles sont discutés plus en détail ailleurs dans ce chapitre.
Sulfure ferreux (FeS), en plus de sa présence naturelle sous forme de pyrite, se forme occasionnellement involontairement lorsque des matériaux contenant du soufre sont traités dans des cuves en fer et en acier, comme dans les raffineries de pétrole. Si l'usine est ouverte et que le dépôt de sulfure ferreux est exposé à l'air, son oxydation exothermique peut élever la température du dépôt jusqu'à la température d'inflammation des gaz et vapeurs à proximité. Une fine pulvérisation d'eau doit être dirigée sur ces dépôts jusqu'à ce que les vapeurs inflammables aient été éliminées par purge. Des problèmes similaires peuvent survenir dans les mines de pyrite, où la température de l'air est augmentée par une lente oxydation continue du minerai.
Mesures de sécurité et de santé
Les précautions à prendre pour prévenir les accidents mécaniques comprennent la clôture et le contrôle à distance des machines, la conception de l'usine (qui, dans la sidérurgie moderne, comprend un contrôle informatisé) et la formation à la sécurité des travailleurs.
Le danger lié aux gaz, vapeurs et poussières toxiques et inflammables est contré par une aspiration locale et une ventilation générale couplées aux différentes formes de télécommande. Des vêtements de protection et des lunettes de protection devraient être fournis pour protéger le travailleur des effets des substances chaudes et corrosives et de la chaleur.
Il est particulièrement important que les conduits des machines de meulage et de polissage et des bandes de finition soient entretenus à intervalles réguliers pour maintenir l'efficacité de la ventilation par aspiration ainsi que pour réduire le risque d'explosion.
Ferroalliages
Un ferroalliage est un alliage de fer avec un élément autre que le carbone. Ces mélanges métalliques sont utilisés comme véhicule pour introduire des éléments spécifiques dans la fabrication de l'acier afin de produire des aciers aux propriétés spécifiques. L'élément peut s'allier avec l'acier par dissolution ou il peut neutraliser les impuretés nocives.
Les alliages ont des propriétés uniques qui dépendent de la concentration de leurs éléments. Ces propriétés varient directement en fonction de la concentration des composants individuels et dépendent, en partie, de la présence de traces d'autres éléments. Bien que l'effet biologique de chaque élément de l'alliage puisse être utilisé comme guide, il existe suffisamment de preuves de la modification de l'action par le mélange d'éléments pour justifier une extrême prudence dans la prise de décisions critiques basées sur l'extrapolation de l'effet à partir d'un seul élément.
Les ferroalliages constituent une liste large et diversifiée d'alliages avec de nombreux mélanges différents au sein de chaque classe d'alliage. Le commerce limite généralement le nombre de types de ferroalliages disponibles dans une même classe, mais les développements métallurgiques peuvent entraîner des ajouts ou des changements fréquents. Certains des ferroalliages les plus courants sont les suivants :
- ferrobore - 16.2% de bore
- ferrochrome - 60 à 70% de chrome, qui peut également contenir du silicium et du manganèse
- ferromanganèse - 78 à 90 % de manganèse ; 1.25 à 7% de silicium
- ferromolybdène - 55 à 75 % de molybdène ; 1.5 % de silicium
- ferrophosphore — 18 à 25 % de phosphore
- ferrosilicium — 5 à 90 % de silice
- ferrotitane - 14 à 45 % de titane ; 4 à 13% de silicium
- ferrotungstène - 70 à 80% de tungstène
- ferrovanadium - 30 à 40 % de vanadium ; 13 % de silicium ; 1.5 % aluminium.
Dangers
Bien que certains ferroalliages aient des utilisations non métallurgiques, les principales sources d'exposition dangereuse sont rencontrées dans la fabrication de ces alliages et dans leur utilisation lors de la production d'acier. Certains ferroalliages sont produits et utilisés sous forme de particules fines ; la poussière en suspension dans l'air constitue un risque potentiel de toxicité ainsi qu'un risque d'incendie et d'explosion. De plus, l'exposition professionnelle aux fumées de certains alliages a été associée à de graves problèmes de santé.
Ferrobore. La poussière en suspension dans l'air produite lors du nettoyage de cet alliage peut provoquer une irritation du nez et de la gorge, qui est due, éventuellement, à la présence d'un film d'oxyde de bore sur la surface de l'alliage. Certaines études animales (chiens exposés à des concentrations atmosphériques de ferroboron de 57 mg/m3 pendant 23 semaines) n'a trouvé aucun effet indésirable.
ferrochrome. Une étude en Norvège sur la mortalité globale et l'incidence des cancers chez les travailleurs produisant du ferrochrome a montré une augmentation de l'incidence des cancers du poumon en relation causale avec l'exposition au chrome hexavalent autour des fours. Une perforation de la cloison nasale a également été constatée chez quelques travailleurs. Une autre étude conclut que la surmortalité due au cancer du poumon chez les travailleurs de la sidérurgie est associée à l'exposition aux hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) lors de la production de ferrochrome. Une autre étude portant sur l'association entre l'exposition professionnelle aux fumées et le cancer du poumon a révélé que les travailleurs du ferrochrome présentaient un excès de cas de cancer du poumon et de la prostate.
Ferromanganèse peut être produit en réduisant les minerais de manganèse dans un four électrique avec du coke et en ajoutant de la dolomie et du calcaire comme fondant. Le transport, le stockage, le tri et le concassage des minerais produisent des poussières de manganèse à des concentrations qui peuvent être dangereuses. Les effets pathologiques résultant de l'exposition aux poussières, tant du minerai que de l'alliage, sont quasiment indiscernables de ceux décrits dans l'article « Manganèse » dans ce chapitre. Des intoxications aiguës et chroniques ont été observées. Les alliages de ferromanganèse contenant de très fortes proportions de manganèse réagissent avec l'humidité pour produire carbure de manganèse, qui, lorsqu'il est combiné avec de l'humidité, libère de l'hydrogène, créant un risque d'incendie et d'explosion.
Ferrosilicium la production peut entraîner à la fois des aérosols et des poussières de ferrosilicium. Des études animales indiquent que la poussière de ferrosilicium peut provoquer un épaississement des parois alvéolaires avec la disparition occasionnelle de la structure alvéolaire. Les matières premières utilisées dans la production d'alliages peuvent également contenir de la silice libre, bien qu'à des concentrations relativement faibles. Il existe un certain désaccord quant à savoir si la silicose classique peut être un danger potentiel dans la production de ferrosilicium. Il ne fait cependant aucun doute que les maladies pulmonaires chroniques, quelle que soit leur classification, peuvent résulter d'une exposition excessive aux poussières ou aux aérosols rencontrés dans les usines de ferrosilicium.
ferrovanadium. La contamination atmosphérique par la poussière et les fumées est également un danger dans la production de ferrovanadium. Dans des conditions normales, les aérosols ne produiront pas d'intoxication aiguë mais peuvent provoquer une bronchite et un processus prolifératif interstitiel pulmonaire. Le vanadium dans l'alliage de ferrovanadium a été signalé comme étant sensiblement plus toxique que le vanadium libre en raison de sa plus grande solubilité dans les fluides biologiques.
Acier au plomb est utilisé pour les tôles d'acier automobile afin d'en augmenter la malléabilité. Il contient environ 0.35 % de plomb. Chaque fois que l'acier au plomb est soumis à des températures élevées, comme lors du soudage, il existe toujours le risque de générer des fumées de plomb.
Mesures de sécurité et de santé
Le contrôle des fumées, poussières et aérosols lors de la fabrication et de l'utilisation des ferroalliages est essentiel. Un bon contrôle de la poussière est nécessaire dans le transport et la manutention des minerais et des alliages. Les tas de minerai doivent être humidifiés pour réduire la formation de poussière. En plus de ces mesures de base de contrôle de la poussière, des précautions particulières sont nécessaires lors de la manipulation de ferroalliages spécifiques.
Le ferrosilicium réagit avec l'humidité pour produire de la phosphine et de l'arsine ; par conséquent, ce matériau ne doit pas être chargé par temps humide et des précautions particulières doivent être prises pour s'assurer qu'il reste sec pendant le stockage et le transport. Chaque fois que du ferrosilicium est expédié ou manipulé en quantités importantes, des avis doivent être affichés avertissant les travailleurs du danger, et des procédures de détection et d'analyse doivent être mises en œuvre à intervalles fréquents pour vérifier la présence de phosphine et d'arsine dans l'air. Un bon contrôle de la poussière et des aérosols est nécessaire pour la protection respiratoire. Un équipement de protection respiratoire approprié doit être disponible en cas d'urgence.
Les travailleurs engagés dans la production et l'utilisation de ferroalliages devraient faire l'objet d'une surveillance médicale attentive. Leur environnement de travail doit être surveillé en permanence ou périodiquement, selon le degré de risque. Les effets toxiques des divers ferroalliages sont suffisamment différents de ceux des métaux purs pour justifier un niveau de surveillance médicale plus intense jusqu'à ce que davantage de données aient été obtenues. Lorsque les ferroalliages génèrent des poussières, des fumées et des aérosols, les travailleurs devraient subir des examens radiographiques pulmonaires périodiques pour une détection précoce des modifications respiratoires. Des tests de la fonction pulmonaire et la surveillance des concentrations de métaux dans le sang et/ou l'urine des travailleurs exposés peuvent également être nécessaires.