Dans la production d’acier au four à arc électrique, le fer préréduit (DRI) est souvent considéré comme un matériau de charge supplémentaire lorsque la disponibilité de ferraille est limitée. Cependant, en pratique, l’utilisation du DRI impose des exigences strictes en matière de qualité des matières premières, de méthodes de chargement, de contrôle des procédés et de gestion de l’installation.
Pour de nombreux projets de production d’acier au four à arc électrique de petite et moyenne taille, ces exigences peuvent accroître considérablement la complexité opérationnelle et les risques, sans nécessairement apporter de bénéfices économiques évidents.
S’appuyant sur l’expérience pratique en sidérurgie et sur les données d’exploitation de projets, cet article examine les principales exigences techniques relatives à l’utilisation du DRI dans la production d’acier au four à arc électrique, son comportement lors de la charge et son impact sur les principaux indicateurs métallurgiques. Il explique également pourquoi, dans la plupart des projets, le DRI n’est pas recommandé comme matériau de charge privilégié.
Exigences techniques de base pour le DRI dans la production d’acier au four à arc électrique
Pour garantir un fonctionnement stable et contrôlable du four à arc électrique, le DRI utilisé pour la fabrication de l’acier doit répondre à plusieurs exigences fondamentales.
Densité et résistance mécanique
La densité apparente du DRI doit généralement se situer entre 4,0 et 6,5 g/cm³, avec une résistance à froid suffisante pour éviter une casse excessive et la production de fines lors du transport, du stockage et du chargement. Un excès de fines augmente les pertes de poussières et réduit le rendement métallique effectif.
Granulométrie appropriée
Le DRI ne doit contenir ni trop de fines ni trop de granulés. Les particules fines s’oxydent ou s’éliminent facilement par le système de dépoussiérage, tandis que les particules trop grosses nuisent à l’homogénéité du chargement et à l’efficacité de la fusion. En pratique, une granulométrie de 10 à 100 mm est couramment utilisée.
Maîtrise des impuretés et de la gangue
Une teneur élevée en gangue dans le DRI accroît la consommation de chaux pour la formation du laitier, ce qui entraîne un volume de laitier plus important, une consommation d’énergie accrue et une baisse des performances techniques et économiques. Une faible teneur en gangue est donc une condition essentielle à l’utilisation du DRI dans la production d’acier au four à arc électrique.
Taux de métallisation adéquat
Le taux de métallisation, défini comme la proportion de fer métallique par rapport au fer total, influe directement sur la consommation d’énergie et le rendement métallique. Un taux de métallisation plus faible entraîne une teneur plus élevée en FeO résiduel, ce qui nécessite davantage d’énergie électrique et de réducteurs pour la réduction, tout en diminuant le rendement métallique global.
Comportement de charge et caractéristiques de fusion du DRI
La densité du DRI se situe entre celle du laitier et celle de l’acier en fusion. Après son introduction dans le four, le DRI a tendance à rester à l’interface laitier-métal. Si cela peut favoriser les réactions interfaciales dans certaines conditions, cela impose également des exigences plus strictes quant aux pratiques de chargement.
Lorsque la proportion de DRI est relativement faible (généralement inférieure à 30 %), il peut être chargé avec les déchets métalliques. En pratique, les déchets légers sont placés au fond du godet, suivis des déchets lourds et du DRI. Cette disposition permet d’éviter l’accumulation de DRI près des parois du four ou dans les zones froides, où il risquerait de former des agglomérats non fondus.
Lors du chargement de grandes quantités de DRI, la lenteur du transfert de chaleur et les difficultés de fusion s’accentuent. Si l’arc électrique ne chauffe pas directement une couche épaisse de DRI, le métal en fusion risque de se solidifier entre les pastilles, formant des amas frittés qui entravent la pénétration et la fusion. Ceci allonge considérablement le temps de fusion et dégrade les indicateurs techniques et économiques.
Par conséquent, lorsque des taux de DRI plus élevés sont utilisés, un chargement continu par la voûte du four est souvent nécessaire. Les orifices de chargement situés au centre ou à mi-rayon du four permettent au DRI de pénétrer dans la zone à haute température avec une énergie cinétique suffisante pour traverser la couche de laitier et améliorer l’efficacité de la fusion.
Teneur en carbone du DRI et son influence sur le contrôle du processus
La teneur en carbone du DRI varie considérablement en fonction du procédé de réduction, ce qui affecte directement le contrôle du procédé EAF.
La production de DRI à base de gaz permet un contrôle relativement précis du carbone et du FeO résiduel, ce qui donne un DRI dit « équilibré ». Dans ce cas, l’ajout de carbone est généralement inutile lors de la fusion, et le DRI n’augmente ni de manière significative la teneur en carbone du bain, ni n’impose une charge importante en FeO.
Le DRI issu du charbon contient généralement moins de carbone. Lors de l’élaboration de l’acier, il est nécessaire d’ajouter du carbone en fonction du taux de métallisation et des exigences de nuance d’acier afin d’assurer une bonne formation du bain et la réduction du FeO. Cela restreint la marge de manœuvre et accroît la dépendance à l’égard de l’expérience de l’opérateur et de la rigueur de la direction.
Impact du DRI sur la consommation d’énergie et le rendement métallique
Les données statistiques et l’expérience d’exploitation indiquent que l’utilisation de DRI dans la production d’acier au four à arc électrique entraîne généralement une augmentation de la consommation d’énergie électrique, notamment lorsque la proportion de DRI dépasse environ 25 %. L’ampleur de cette augmentation dépend de la teneur en carbone du DRI, du taux de métallisation et de la stratégie d’ajustement du carbone.
Le rendement métallique est fortement influencé par la maîtrise du bilan carbone-oxygène. L’augmentation de la teneur en carbone du bain, l’injection multipoint de carbone et l’utilisation coordonnée de lances carbone-oxygène contribuent à réduire la teneur en FeO dans le laitier et favorisent la réduction du FeO issu du DRI en acier liquide. Associées à une proportion appropriée de charge de métal en fusion, ces techniques permettent d’améliorer encore le rendement métallique.
Du point de vue du volume de scories, le niveau d’impuretés introduit par le DRI est généralement comparable à celui des déchets métalliques. Lorsque la proportion de DRI reste inférieure à 30 %, son impact sur la quantité de scories est généralement limité.
Effets sur le temps de fusion, la consommation d’électrodes et la consommation d’oxygène
Dans le fonctionnement d’un four à arc électrique utilisant uniquement des déchets, la demande accrue en énergie associée au DRI entraîne généralement une durée de fonctionnement plus longue, des cycles de fusion plus longs et une consommation d’électrodes plus élevée.
En revanche, lors de la charge de métal chaud, un ajout judicieux de DRI peut accélérer la décarburation. Avec une maîtrise adéquate de la courbe de puissance, le cycle de fusion n’augmente pas nécessairement et peut même être légèrement raccourci dans certaines conditions de fonctionnement.
L’oxyde de fer (FeO) contenu dans le DRI favorise la fusion du laitier et accélère les réactions de décarburation. De ce fait, la consommation globale d’oxygène diminue souvent, généralement de 0,5 à 3,5 m³/t en pratique industrielle.
Considérations de sécurité relatives à l’utilisation du DRI dans la production d’acier au four à arc électrique
L’utilisation excessive de DRI à faible teneur en carbone et en métallisation peut entraîner une accumulation d’oxyde de fer (FeO) dans le laitier. Une mise en œuvre incorrecte peut provoquer une ébullition violente du bain et de graves incidents de sécurité.
De plus, le DRI peut former des « icebergs » non fondus dans le four. Dans les cas les plus graves, ces icebergs peuvent obstruer l’orifice de coulée, compromettant ainsi la sécurité de l’opération et la stabilité de la production – un problème particulièrement critique pour les fours à arc électrique de petite et moyenne taille.
Pourquoi le DRI n’est généralement pas recommandé dans la plupart des projets de fours à arc électrique
D’après l’expérience en matière d’ingénierie et de gestion de la production, le DRI n’est pas considéré comme un matériau de charge optimal pour la plupart des projets de production d’acier au four à arc électrique de petite et moyenne taille, pour les raisons suivantes :
- Du point de vue de l’énergie et du rendement, le DRI offre généralement un rendement métallique inférieur à celui du métal en fusion, tout en nécessitant l’élimination des composants non métalliques, ce qui limite son avantage économique.
- À l’exception du carbone, la plupart des composés du DRI finissent par se retrouver dans le laitier, ce qui augmente la consommation de chaux et le volume du laitier à mesure que la teneur en gangue augmente.
- Les DRI à haute teneur en carbone ou les DRI dont la métallisation est inférieure à environ 90 % présentent un risque accru d’ébullition sévère du bain s’ils ne sont pas correctement contrôlés.
- Le DRI possède une structure très poreuse et une forte réactivité chimique. Son transport et son stockage en toute sécurité sont complexes, et il présente des risques d’oxydation et d’auto-échauffement au contact de l’air ou de l’humidité. Dans de nombreux cas, le briquetage (HBI) est nécessaire pour atténuer ces risques, ce qui accroît les contraintes logistiques et de gestion.
En pratique, le DRI est mieux adapté aux systèmes sidérurgiques où la production de DRI et le fonctionnement des fours à arc électrique (FAE) sont étroitement intégrés et où le chargement à chaud est possible. Cependant, la plupart des projets de FAE de petite et moyenne taille ne disposent pas d’une source d’approvisionnement en DRI à proximité ni des infrastructures de gestion nécessaires pour garantir un stockage sûr et un fonctionnement stable, ce qui accroît considérablement le risque opérationnel.
Expérience du groupe SME en matière d’ingénierie et de gestion de la production
Il est important de noter que la gestion de la production et l’optimisation opérationnelle des projets sidérurgiques constituent le cœur de métier du Groupe SME. Au-delà de la réalisation de projets d’aciéries clés en main, de nombreux clients continuent de faire appel au Groupe SME pour des services de gestion technique et d’exploitation de production à long terme.
Quel que soit le type de charge choisi par le client, SME Group s’attache à résoudre systématiquement les problèmes techniques en cours d’exploitation et à garantir que les procédés de fabrication d’acier au four à arc électrique restent sûrs, stables et durables dans les conditions réelles du projet.
