Dans la production d’acier au four à arc électrique, la période d’oxydation est une étape cruciale du procédé d’affinage par oxydation. La qualité de son déroulement influe de manière déterminante sur la pureté et la composition de l’acier, notamment lorsque la charge contient des niveaux d’impuretés relativement élevés.
Lorsque la qualité des déchets est médiocre ou que la teneur en impuretés est élevée, un contrôle précis de la période d’oxydation devient essentiel pour garantir un raffinage en aval stable et atteindre la qualité d’acier requise.
Principales tâches de la période d’oxydation dans la fabrication de l’acier au four à arc électrique
D’un point de vue métallurgique, la période d’oxydation dans la fabrication de l’acier au four à arc électrique remplit plusieurs fonctions clés :
- Déphosphorisation
- Dégazage de l’acier en fusion
- Élimination des inclusions non métalliques
- Chauffage uniforme de l’acier en fusion à une température supérieure à la température de coulée
Ces objectifs sont principalement atteints grâce à l’ébullition générée par les réactions d’oxydation du carbone. Une ébullition stable et uniforme favorise le transfert de masse entre l’acier en fusion et le laitier, ce qui est fondamental pour une élimination efficace du phosphore, des gaz et des inclusions par flottation.
Approche opératoire générale pendant la période d’oxydation
Pour garantir le succès du raffinage par oxydation, le contrôle opérationnel commence généralement à la fin de l’étape de fusion :
- Les réactions d’oxydation sont initiées au cours de la phase de fusion tardive afin de créer des conditions favorables à une déphosphoration précoce ;
- Une fois que la température de l’acier en fusion suffisante est atteinte, l’oxydation est intensifiée par l’ajout de minerai et/ou par l’insufflation d’oxygène pour favoriser une ébullition uniforme et soutenue ;
- En fonction de la teneur en phosphore de l’acier en fusion, une partie du laitier est évacuée et du laitier frais est formé au besoin ;
- Lorsque la température et la composition chimique de l’acier (telles que les niveaux de carbone et de phosphore) atteignent les objectifs requis, le laitier est complètement éliminé, marquant la fin de la période d’oxydation et la transition vers la phase de réduction.
Principes de fonctionnement de la période d’oxydation
Bien que la période d’oxydation comprenne de multiples objectifs d’affinage, ceux-ci sont fondamentalement liés aux réactions de décarburation. Cependant, la déphosphoration et la décarburation imposent des exigences différentes en matière de température et de conditions des scories :
- La déphosphoration nécessite des températures modérées à basses, un volume important de scories et des scories hautement oxydantes avec une bonne fluidité ;
- La décarburation nécessite des températures plus élevées et des scories plus minces.
Sur la base de ces caractéristiques, les principes de fonctionnement généraux de la période d’oxydation dans la fabrication de l’acier au four à arc électrique peuvent être résumés comme suit :
- Séquence d’oxydation : l’élimination du phosphore précède l’élimination du carbone ;
- Contrôle de la température : augmentation progressive de la température, lente au début puis plus rapide ensuite ;
- Pratiques liées aux scories : grand volume de scories pour la déphosphoration en premier lieu, rinçage contrôlé des scories pendant l’élimination du phosphore, suivi d’une décarburation en scories minces.
Déroulement de base du processus d’oxydation
Une fois la charge du four entièrement fondue et correctement brassée, des échantillons d’acier en fusion sont prélevés conformément aux exigences de composition de la nuance d’acier. Les éléments clés tels que le carbone, le manganèse, le soufre et le phosphore sont analysés.
Par la suite, la déphosphoration, la décarburation et l’élévation de température sont réalisées de manière coordonnée. Lorsque la composition chimique et la température se situent dans la plage spécifiée, les scories sont éliminées pour achever la phase d’oxydation et le procédé passe à l’étape de réduction.
Tout au long du raffinage par oxydation, la déphosphoration et la décarburation nécessitent un laitier à fort pouvoir oxydant et à bonne fluidité. En pratique :
- La basicité optimale des scories pour la déphosphoration est généralement de 2,5 à 3,0 ;
- Lors de la décarburation, la basicité du laitier est généralement d’environ 2,0.
Par conséquent, un contrôle rigoureux de la composition, de la quantité et de la fluidité du laitier est essentiel. Si la fluidité du laitier se détériore en raison d’un effondrement de la paroi du four ou de la présence de matériaux réfractaires flottants, son élimination immédiate est nécessaire.
Méthodes d’oxydation couramment utilisées pendant la période d’oxydation
Plusieurs méthodes d’oxydation sont couramment utilisées lors de la fabrication de l’acier au four à arc électrique, notamment l’ajout d’agent oxydant, l’insufflation d’oxygène et les méthodes d’oxydation combinées. Chaque méthode présente des caractéristiques métallurgiques et opérationnelles distinctes.
Oxydation par ajout d’agent oxydant
L’oxydation à l’aide de minerai de fer ou d’agents oxydants similaires présente les caractéristiques suivantes :
- Produit une ébullition relativement uniforme et à large plage, ce qui est bénéfique pour l’élimination des gaz et la flottation des inclusions ;
- Il s’agit d’un processus endothermique, favorable à la déphosphoration mais associé à une consommation accrue d’énergie électrique ;
- Les agents oxydants peuvent introduire des impuretés, susceptibles d’affecter la propreté de l’acier ;
- Les réactions d’oxydation se produisent par diffusion des scories, ce qui entraîne des temps d’équilibre de réaction plus longs et une plus grande difficulté de contrôle.
Oxydation par soufflage d’oxygène
Dans l’oxydation par soufflage d’oxygène, l’oxygène réagit directement avec les éléments présents dans l’acier en fusion :
- La réaction est exothermique, contribuant à une élévation rapide de la température et à des cycles de raffinage plus courts ;
- Le laitier contient relativement moins d’oxyde de fer, ce qui limite la déphosphoration lorsque l’infusion d’oxygène est utilisée seule ;
- L’efficacité de la déphosphoration peut être améliorée en ajustant les pratiques de soufflage ou en combinant le soufflage d’oxygène avec l’ajout de minerai ;
- Une pureté élevée en oxygène et une cinétique de réaction rapide sont bénéfiques pour améliorer la propreté de l’acier et réduire la consommation d’énergie.
L’expérience opérationnelle montre que l’oxydation combinée utilisant à la fois l’insufflation d’oxygène et l’ajout d’un agent oxydant offre des avantages clairs en termes de qualité de l’acier, de stabilité opérationnelle et d’efficacité globale du raffinage par rapport aux méthodes d’oxydation simples.
