Dans la sidérurgie, le soufre réduit considérablement les propriétés mécaniques de l’acier, augmentant sa fragilité et diminuant sa ductilité. Par conséquent, la désulfuration au four à arc électrique est un processus essentiel pour garantir une production d’acier de haute qualité. Selon la théorie moléculaire, le mécanisme de désulfuration du laitier réducteur basique peut être divisé en plusieurs étapes :
- Diffusion du soufre de l’acier en fusion vers les scories
[FeS] → (FeS) - Formation de composés stables dans les scories
(FeS) + (CaO) → (CaS) + (FeO) - Réaction globale
[FeS] + (CaO) → (CaS) + (FeO)
Cela montre que l’essence de la désulfuration dans la fabrication de l’acier au four à arc électrique est la diffusion du soufre à l’interface acier-laitier et sa réaction avec CaO pour former CaS.
Facteurs clés affectant la désulfuration dans le four électrique
L’efficacité de l’élimination du soufre dans les scories réductrices basiques dépend de plusieurs facteurs :
Basicité des scories
L’oxyde de calcium est la principale condition de la désulfuration. Dans les scories acides, le CaO est lié au SiO₂, ce qui ne laisse aucune trace de CaO libre pour la désulfuration. Avec l’augmentation de la basicité, la teneur en CaO libre augmente et améliore la capacité de désulfuration. Cependant, une basicité excessive augmente la viscosité des scories et réduit la cinétique interfaciale. En pratique, un rapport de basicité de 2,0 à 3,0 offre des conditions de désulfuration optimales.
Teneur en oxyde de fer dans les scories
La réduction de la teneur en FeO dans le laitier favorise le déplacement de l’équilibre vers la désulfuration, améliorant ainsi l’efficacité opérationnelle.
Ajout de spath fluor (CaF₂)
Une quantité modérée de CaF₂ améliore la fluidité du laitier, accélère sa formation et favorise la diffusion du soufre vers l’interface. Le CaF₂ peut également réagir directement avec le soufre pour former des produits de désulfuration volatils. Cependant, une dépendance à long terme au spath fluor a des effets secondaires négatifs, ce qui en fait une approche non viable.
Température
Dans la plage de températures de fabrication de l’acier EAF, les constantes d’équilibre varient peu. En revanche, des températures plus élevées améliorent la fluidité de l’acier en fusion et du laitier, augmentent la diffusivité du soufre et accélèrent la désulfuration.
Volume de scories
L’augmentation du volume des scories contribue à diluer les produits de désulfuration, augmentant ainsi la capacité en soufre et favorisant les réactions. À l’inverse, une épaisseur excessive des scories entrave la diffusion et ralentit la désulfuration.
Le rôle de la cinétique
Même avec une composition de laitier identique, les conditions cinétiques ont une influence décisive sur l’efficacité de la désulfuration. L’agitation du bain de fusion ou l’intensification des mouvements à l’interface acier-laitier peuvent :
- Augmenter la surface de contact
- Accélérer la diffusion du soufre
- Améliorer le taux global de désulfuration
Améliorer le taux global de désulfuration
Pourquoi la désulfuration est-elle plus facile dans l’acier à haute teneur en carbone ?
À la même température de fabrication de l’acier, l’acier à haute teneur en carbone se désulfure plus facilement que l’acier à faible teneur en carbone car :
- Teneur en oxygène plus faible : une teneur en carbone plus élevée réduit le niveau d’oxygène à l’équilibre dans l’acier en fusion, ce qui est favorable à la désulfuration.
- Meilleure fluidité : l’acier à haute teneur en carbone présente une plus grande fluidité à l’état fondu, ce qui améliore les réactions acier-laitier.
Par conséquent, dans la pratique industrielle, l’acier à haute teneur en carbone obtient généralement de meilleurs résultats de désulfuration que l’acier à faible teneur en carbone.
