Dans la production d’acier au four à arc électrique, l’étape d’oxydation est déterminante pour la propreté de l’acier, l’efficacité de l’affinage et sa qualité métallurgique globale. Durant cette étape, la décarburation, la déphosphoration et la désulfuration sont réalisées par des réactions d’oxydation contrôlées, la formation de laitier et l’agitation du bain, permettant ainsi une élimination efficace des gaz, la flottation des inclusions et l’ajustement de la composition chimique.
Un contrôle adéquat de la phase d’oxydation est essentiel non seulement pour obtenir la qualité d’acier requise, mais aussi pour limiter le temps de fusion, réduire l’usure des réfractaires et éviter une consommation d’énergie inutile.
Comment déterminer le degré de décarburation pendant la phase d’oxydation ?
Le degré de décarburation requis lors de l’oxydation au four à arc électrique dépend de plusieurs facteurs, notamment les exigences relatives à la nuance d’acier, les pratiques d’affinage et la qualité des déchets. En général, une qualité de matière première inférieure ou des exigences de qualité d’acier plus strictes nécessitent un degré de décarburation plus élevé.
L’expérience montre qu’une décarburation insuffisante ne permet pas d’éliminer efficacement les gaz et les inclusions. À l’inverse, une décarburation excessive n’améliore pas significativement la qualité de l’acier, mais allonge le temps d’affinage, accroît l’érosion des réfractaires et engendre une consommation inutile d’énergie et de main-d’œuvre. Par conséquent, une décarburation excessive n’est justifiée ni économiquement ni techniquement.
Pour la pratique du raffinage par oxydation, la quantité de décarburation pendant l’étape d’oxydation est généralement considérée comme appropriée dans la plage de 0,20 % à 0,50 %.
Comment contrôler le taux de décarburation ?
La vitesse de décarburation influe directement sur le comportement du bain et l’efficacité de l’affinage. Si elle est trop lente, l’ébullition du bain est faible, ce qui entraîne un dégazage insuffisant et une mauvaise élimination des inclusions. Si elle est trop rapide, la décarburation peut être achevée en un temps très court, provoquant une forte agitation du bain, une exposition de l’acier, une réoxydation importante et une érosion accrue du réfractaire. Dans les cas extrêmes, des projections ou des pertes de métal peuvent survenir.
Par conséquent, la décarburation par four à arc électrique requiert une vitesse de réaction contrôlée et modérée. Une vitesse de décarburation appropriée doit garantir que le taux de dégazage de l’acier en fusion dépasse le taux d’absorption des gaz, tout en permettant aux inclusions de remonter à la surface et d’être éliminées efficacement. Dans des conditions normales d’insufflation d’oxygène, la vitesse de décarburation est généralement maintenue entre 0,005 % et 0,05 % par minute.
Similitudes et différences entre les conditions de déphosphoration et de désulfuration
La déphosphoration et la désulfuration pendant la phase d’oxydation partagent plusieurs exigences communes en matière de scories :
- Volume de scories suffisant
- basicité élevée du laitier
- Bonne fluidité du laitier
Cependant, leurs conditions de réaction optimales diffèrent considérablement :
- La déphosphoration se fait de préférence à basse température, tandis que la désulfuration nécessite des températures plus élevées.
- La déphosphoration nécessite une teneur en FeO relativement élevée dans le laitier (environ 14 % à 20 %), tandis que la désulfuration nécessite un faible potentiel oxydant du laitier.
Par conséquent, le contrôle simultané de la décarburation, de la déphosphoration et de la désulfuration pendant la phase d’oxydation nécessite un équilibre précis entre la température, la composition du laitier et le pouvoir oxydant du laitier.
Comment améliorer l’efficacité de la décarburation et de la déphosphoration ?
Les mesures pratiques permettant d’améliorer l’efficacité de la décarburation et de la déphosphoration pendant la phase d’oxydation comprennent :
- Lorsque les conditions de température le permettent, l’ajout d’une quantité appropriée d’agents oxydants (tels que du minerai de fer ou de la calamine) favorise la déphosphoration à un stade précoce.
- Combiner l’insufflation d’oxygène avec l’ajout d’oxydant pour intensifier les réactions d’oxydation
- Maintenir une basicité du laitier relativement élevée et stable, généralement comprise entre 0 et 3,0.
- Fournir une puissance suffisante pour maintenir le bain de fusion à une température de réaction active
Scénarios de fonctionnement typiques pendant la phase d’oxydation
Faible teneur en carbone et basse température
Lorsque la teneur en carbone et la température sont faibles durant l’oxydation, un léger flux d’oxygène peut être appliqué à la surface du laitier pendant l’ajout de poudre de carbone dans le four afin de favoriser son moussage. Simultanément, une puissance électrique maximale doit être fournie pour élever la température du bain. Au besoin, de la poudre de ferrosilicium usagée ou des matériaux similaires peuvent être ajoutés pour exploiter la chaleur chimique et rétablir la température.
Riche en carbone et en phosphore
Ce phénomène se produit généralement au début de l’oxydation. L’opération appropriée consiste à ajouter de la chaux et à insuffler du laitier pour favoriser la déphosphoration, tout en fournissant de l’énergie pour augmenter la température et maintenir la basicité du laitier au-dessus de 2,0. À mesure que la température augmente et que l’ébullition du bain s’améliore, l’ajout de chaux doit se poursuivre, ainsi que celui d’une quantité appropriée de minerai de fer ou de calamine, permettant ainsi à la décarburation et à la déphosphoration de se dérouler simultanément.
Lorsque le moussage du laitier se stabilise et que son écoulement automatique est possible, une partie de celui-ci peut être évacuée. Sur la base d’analyses chimiques, la chaux et les oxydants peuvent alors être ajoutés afin d’optimiser la décarburation et la déphosphoration, en vue de l’étape d’élimination du laitier. Comparée à l’approche traditionnelle « déphosphoration d’abord, décarburation ensuite », cette opération combinée permet de réduire la durée du raffinage.
Riche en carbone et faible en phosphore
Dans ce cas, la température du bain doit être contrôlée entre 1550 et 1580 °C, et la basicité du laitier doit être maintenue entre 2,0 et 2,8. Une basicité excessive augmente la viscosité du laitier et entrave la décarburation, tandis qu’une basicité insuffisante affaiblit la réaction et augmente le risque d’ébullition violente.
Lors de la décarburation, si la température du bain devient trop élevée, du minerai de fer ou de la calamine peuvent être ajoutés avec un soufflage d’oxygène pour assurer le contrôle de la température et la décarburation, tout en éliminant simultanément le phosphore résiduel.
Faible teneur en carbone et forte teneur en phosphore, et transition vers le stade de réduction
Lorsque la teneur en carbone est faible mais celle en phosphore élevée, le pouvoir oxydant du laitier est généralement important et sa fluidité bonne. Dans ce cas, il convient d’ajouter de la chaux mélangée à de la poudre de carbone pour maintenir la basicité du laitier au-dessus de 2,0, tout en effectuant des apports intermittents de chaux et de poudre de carbone afin de réduire la teneur en FeO et de favoriser le moussage du laitier. Ceci améliore la couverture de l’arc et renforce la déphosphoration à l’interface acier-laitier.
Il convient d’agiter le bain pour améliorer le transfert de chaleur. Si la fluidité et la température du laitier le permettent, un faible débit d’oxygène peut être utilisé pour faciliter son écoulement. Une fois la déphosphoration terminée et la température adéquate atteinte, le laitier doit être éliminé. Des agents de recarburation carbonés peuvent alors être ajoutés à la surface de l’acier fondu exposé, puis du laitier peut se former pour amorcer la réduction.
Si la décarburation lors de l’oxydation est insuffisante, la qualité de l’acier peut se dégrader. Dans ce cas, un brassage à l’argon dans la poche après la coulée est souvent nécessaire pour améliorer la propreté de l’acier. Il est essentiel de garantir une température adéquate lors du décantage ; à défaut, une réversion du phosphore peut se produire en raison de la fusion des déchets de la zone froide.
Note sur la portée et l’applicabilité du processus
La discussion ci-dessus porte sur l’étape d’oxydation du procédé traditionnel de fabrication de l’acier au four à arc électrique en trois étapes.
Il convient de noter que, dans la production d’acier civil et commercial, les fours à arc électrique modernes se caractérisent de plus en plus par leur grande capacité, leur rendement élevé et leur contrôle intelligent, et sont devenus la technologie dominante. Cependant, la méthode traditionnelle de cuisson en trois étapes reste irremplaçable pour certaines nuances d’acier spéciales et dans des conditions de production régionales spécifiques.
De plus, malgré les différences de taille des équipements et de niveau d’automatisation, les principes métallurgiques fondamentaux régissant la décarburation, la déphosphoration, la désulfuration, le contrôle des scories et le comportement du bain de fusion sont largement communs aux procédés de fabrication d’acier traditionnels et modernes au four à arc électrique. C’est pourquoi la compréhension du fonctionnement de l’étape d’oxydation dans les fours à arc électrique traditionnels conserve une importance technique et pratique considérable.
