Rôle de la formation précoce de scories pendant la phase de fusion.
La formation précoce de scories pendant la phase de fusion joue un rôle clé dans la stabilisation de l’arc électrique, le transfert de chaleur, la protection du bain de métal et la création de conditions d’oxydation favorables aux réactions d’affinage.
Stabilisation de l’arc et efficacité thermique
Une couche de scories recouvrant l’acier en fusion stabilise l’arc électrique et réduit les pertes de chaleur par rayonnement. Une plus grande opacité des scories améliore l’absorption de chaleur et l’efficacité globale du transfert thermique.
Protection du bain de métal en fusion et absorption des inclusions.
La formation précoce de scories isole l’acier en fusion de l’atmosphère du four, réduisant ainsi l’absorption de gaz tout en capturant les inclusions introduites avec la ferraille.
Contrôle de l’oxydation et de l’évaporation des éléments
La couche de scories limite la volatilisation des éléments et offre des conditions propices à l’oxydation et à l’élimination du phosphore, du silicium et du manganèse.
Pour la seule stabilisation de l’arc électrique et le recouvrement du bain de métal en fusion, une quantité de scories représentant environ 1,0 à 1,5 % du poids de la ferraille est suffisante. Un excès de scories entraîne une consommation d’énergie improductive.
Pratiques de déphosphoration précoce pendant la phase de fusion.
Pour réaliser la déphosphoration lors de la phase de fusion, le laitier doit posséder un potentiel d’oxydation, une basicité et un volume adéquats. Les procédés modernes de fours à arc électrique déplacent souvent la déphosphoration de la phase d’oxydation à la phase de fusion, ce qui permet d’atteindre des niveaux de phosphore contrôlés une fois la fusion terminée.
À des températures typiques de fusion, comprises entre 1500 et 1540 °C, les scories à basse température, basiques, fluides et oxydantes sont thermodynamiquement favorables à l’élimination du phosphore. Les matériaux de scories sont donc ajoutés au préalable, ce qui porte le volume total des scories à 3 à 5 % du poids de la ferraille.
Lors de la fusion assistée par oxygène, la température relativement basse du bain et la faible réactivité entre le carbone et l’oxygène permettent d’atteindre une teneur en FeO dans le laitier supérieure à 20 %. Avec une basicité du laitier contrôlée entre 1,8 et 2,0, environ 50 à 70 % du phosphore contenu dans la charge peuvent être éliminés. L’évacuation rapide du laitier après la fusion réduit considérablement la durée de l’étape d’oxydation. Cette pratique est désormais largement utilisée dans la production d’aciers au carbone et d’aciers faiblement alliés.
Opération de fusion assistée par oxygène lors de l’étape de fusion dans le four à arc électrique.
La fusion assistée par oxygène commence lorsque la ferraille près de la porte du four atteint une température de rougeoiement et que l’acier en fusion devient visible lors de l’inclinaison du four. Certaines usines amorcent la fusion assistée par oxygène plus tôt en enflammant la ferraille près de la porte du four à l’aide de matériaux carbonés auxiliaires.
Les principes de fonctionnement comprennent :
- Découper et pousser les déchets simultanément ;
- Éviter de souffler de l’oxygène concentré sur un seul point ;
- Couper immédiatement les morceaux de ferraille soudés entre eux afin de permettre leur immersion dans le bain de métal en fusion ;
- Ouverture du canal de la porte du four avant l’injection complète d’oxygène.
Principales méthodes de soufflage d’oxygène pendant la fusion
Méthode de découpe pour les chutes de métal reliées entre elles
Cette technique est utilisée pour briser les ponts de scories et permettre une immersion progressive dans le bain. La consommation d’oxygène est relativement faible et la vitesse de fusion est plus lente.
Soufflage d’oxygène à la surface du laitier
Cette méthode est utilisée en l’absence de formation de ponts de ferraille et lorsque la teneur en carbone est élevée. Elle offre une grande efficacité en matière d’utilisation de l’oxygène et un chauffage rapide, mais génère des flammes importantes et des conditions de fonctionnement difficiles.
Établir et étendre le bassin central de matière en fusion
De l’oxygène est d’abord insufflé au centre pour relier les trois zones de fusion des électrodes, formant ainsi un bain de métal en fusion qui s’agrandit progressivement. Combiné à une forte puissance électrique et à la formation de scories mousseuses, ce procédé accélère la fusion.
Stratégie de lance à oxygène pour les zones froides
La stratégie de lanceage doit être adaptée en fonction de l’étape de la campagne du four. En début de vie du four, les débris métalliques situés dans la zone des électrodes peuvent être éliminés en premier. Plus tard, les débris proches des parois du four doivent être éliminés progressivement en direction du centre.
L’expérience pratique montre qu’un apport de carbone approprié pendant la phase de fusion, combiné à une décarburation sous l’effet de l’apport d’énergie et de l’agitation du bain provoquée par les réactions carbone-oxygène, permet d’obtenir un mécanisme de fusion efficace assisté par l’oxygène.
Sécurité et conditions anormales pendant la phase de fusion
Les lances à oxygène ne doivent pas s’approcher de la zone de l’arc électrique, car le courant électrique peut se transmettre à travers la lance, ce qui présente un risque grave d’électrocution.
Une faible conductivité électrique pendant la fusion est généralement due aux facteurs suivants :
- Présence de matériaux non conducteurs mélangés aux déchets ;
- Présence d’espaces excessifs entre les morceaux de ferraille ;
- Défaillance mécanique du système de levage des électrodes.
Les mesures correctives comprennent l’ajout de matériaux conducteurs sous l’électrode, tels que de la fonte brute ou de petits morceaux d’électrode, tout en évitant une absorption excessive de carbone.
Phénomène de formation de ponts de ferraille lors de la phase de fusion
La formation de ponts de ferraille résulte d’un chargement incorrect et d’une fusion localisée. Ces ponts peuvent provoquer un effondrement soudain de la ferraille, la rupture des électrodes ou une ébullition violente du bain. La prévention repose sur une répartition adéquate de la ferraille et une fusion contrôlée assistée par l’oxygène.
La formation de ponts de ferraille résulte d’un chargement incorrect et d’une fusion localisée. Ces ponts peuvent provoquer un effondrement soudain de la ferraille, la rupture des électrodes ou une ébullition violente du bain. La prévention repose sur une répartition adéquate de la ferraille et une fusion contrôlée assistée par l’oxygène.
Lorsque plus des trois quarts de la ferraille ont fondu, l’arc électrique n’est plus protégé. Un fonctionnement continu à puissance maximale peut endommager la voûte et les parois du four, ce qui rend une réduction de la puissance nécessaire.
Mesures visant à réduire la durée de la phase de fusion dans la production d’acier en four électrique à arc.
Parmi les mesures efficaces, on peut citer :
- Rotation rapide des fours et chargement rationnel des ferrailles ;
- Fusion assistée par l’oxygène ;
- Brûleurs à combustible et à oxygène ;
- Préchauffage de la ferraille ;
- Chargement de métal en fusion ;
- Pratique de rétention de l’acier et des scories ;
- Stratégie d’approvisionnement en énergie rationnelle.
