Dans la production d’acier au four à arc électrique, la période d’oxydation joue un rôle crucial dans la décarburation, la déphosphoration et l’amélioration de la propreté de l’acier en fusion. Un article précédent a présenté de manière systématique les différentes méthodes d’oxydation utilisées lors de cette période dans les fours à arc électrique : l’oxydation par ajout d’agents oxydants, l’insufflation d’oxygène et la méthode d’oxydation combinée.
Cet article se concentre sur les précautions opérationnelles pratiques liées à ces méthodes d’oxydation afin d’éviter des conditions anormales dans le four et de garantir une qualité stable de l’acier produit.
Pourquoi ne faut-il pas ajouter d’agents oxydants en excès avant le chargement dans un four à arc électrique ?
Les réactions de décarburation dans un four à arc électrique nécessitent une température adéquate de l’acier en fusion. L’ajout excessif d’agents oxydants avant le chargement induit un fort effet endothermique, ce qui augmente la consommation d’énergie électrique et abaisse la température du bain.
Plus important encore, les oxydes de fer ont tendance à s’accumuler à l’interface acier-laitier. Lorsque la température devient adéquate, des réactions intenses entre le carbone et l’oxygène peuvent se produire, pouvant entraîner une ébullition violente du bain.
Par conséquent, il convient de ne pas ajouter de grandes quantités d’agents oxydants avant le chargement. Seule une petite quantité peut être utilisée, ce qui favorise la formation rapide du laitier et une déphosphoration préliminaire.
Pourquoi une température minimale est-elle requise avant de commencer l’oxydation du minerai ?
Les réactions carbone-oxygène dans l’acier en fusion ne peuvent se produire intensivement qu’au-dessus d’une certaine température. Pour un acier en fusion contenant environ 1 % de carbone, l’oxydation significative du carbone débute aux alentours de 1550 °C.
Si le minerai est ajouté trop tôt, à une température insuffisante, l’efficacité de la décarburation reste faible et des oxydes de fer peuvent s’accumuler à l’interface. Lorsque la température augmente ensuite, cette situation peut facilement provoquer une ébullition soudaine et importante.
C’est pourquoi, dans la fabrication de l’acier au four à arc électrique, une température minimale d’oxydation du minerai est spécifiée afin de garantir des réactions stables et de réduire les risques opérationnels.
Pourquoi la séquence « minerai d’abord, oxygène ensuite » est-elle recommandée en oxydation combinée ?
Lors de l’application de la méthode d’oxydation combinée pendant la période d’oxydation du four à arc électrique, la séquence opératoire consistant à ajouter d’abord le minerai puis à insuffler de l’oxygène est généralement recommandée.
L’ajout initial du minerai favorise une ébullition relativement uniforme et généralisée du bain, ce qui est propice à l’élimination des gaz dissous et des inclusions non métalliques. Parallèlement, l’oxydation du minerai absorbe une grande quantité de chaleur, contribuant à abaisser la température du bain et à créer des conditions plus favorables à la déphosphoration.
Si l’insufflation d’oxygène est appliquée en premier, la température de l’acier en fusion a tendance à augmenter rapidement, ce qui est défavorable à l’élimination du phosphore et réduit l’efficacité métallurgique globale de la période d’oxydation.
Comment contrôler la profondeur et l’angle d’immersion de la lance lors du soufflage d’oxygène ?
Lors de l’injection d’oxygène dans la production d’acier au four à arc électrique, le fonctionnement de la lance a un impact direct sur la sécurité du four et les performances métallurgiques.
- Une profondeur d’immersion excessive peut entraîner le contact du jet d’oxygène avec le fond ou la paroi latérale du four, causant ainsi de graves dommages au réfractaire. Elle accroît également les projections de métal, l’absorption de gaz et les pertes par refroidissement, ralentit la montée en température et favorise l’adhérence du laitier au métal sur la voûte du four. Ceci augmente le risque de défaillance des panneaux refroidis à l’eau et accélère la consommation de la lance.
- Une profondeur d’immersion insuffisante limite l’interaction de l’oxygène principalement à la surface du laitier, ce qui entraîne une faible efficacité de décarburation et une faible utilisation de l’oxygène. Cependant, un soufflage superficiel peut accélérer la montée en température du bain et s’avère parfois bénéfique lorsque la température de l’acier est trop basse.
En pratique, la lance à oxygène est généralement positionnée à environ 5–10 cm de l’interface acier-laitier.
L’angle de la lance est tout aussi important. Un angle trop prononcé entraîne un soufflage trop profond, tandis qu’un angle trop faible ne provoque qu’une oxydation superficielle du laitier. Un angle de lance d’environ 30° est couramment utilisé dans les opérations industrielles des fours à arc électrique.
Comment contrôler correctement la pression d’oxygène lors du soufflage d’oxygène ?
La pression d’oxygène influence considérablement l’efficacité de la fusion, les réactions du bain et la qualité de l’acier pendant la période d’oxydation du four à arc électrique.
- Une pression d’oxygène excessive peut accélérer la fusion et la décarburation des ferrailles, mais elle provoque également d’importantes projections d’oxyde, augmente l’adhérence de l’acier froid aux parois et à la voûte du four et réduit l’utilisation de l’oxygène. Lors de la décarburation, une ébullition trop violente peut favoriser l’absorption de gaz par l’acier en fusion, ce qui détériore sa qualité et aggrave les conditions de fonctionnement au front du four.
- Une pression d’oxygène trop faible entraîne une fusion et une décarburation lentes, prolonge le temps de chauffage et produit une faible ébullition du bain, ce qui est défavorable à l’élimination des gaz et des inclusions.
Par conséquent, la pression d’oxygène doit être soigneusement sélectionnée et contrôlée de manière constante en fonction des conditions du four.
Pourquoi l’insufflation d’oxygène est-elle interdite à une pression d’oxygène trop faible ?
Lorsque la pression d’oxygène est trop faible, la majeure partie de l’oxygène réagit avec le fer à l’interface acier-laitier, formant des oxydes de fer qui s’accumulent dans le laitier. Parallèlement, une agitation insuffisante du bain limite le transfert de masse du carbone vers l’interface de réaction.
Dans ces conditions, dès que la température augmente, le bain devient très susceptible de bouillir soudainement et violemment. C’est pourquoi l’insufflation d’oxygène ne doit pas être effectuée lorsque la pression d’oxygène est insuffisante lors de l’élaboration de l’acier au four à arc électrique.
