La production d’acier au four à arc électrique traditionnel repose sur le procédé classique en trois étapes : fusion, oxydation et réduction, le tout réalisé dans un seul four. Dans cette unité unique, les opérateurs doivent fondre la charge de ferraille, procéder à la déphosphoration et à la décarburation, élever la température, désoxyder, désulfurer, éliminer les inclusions et ajuster la composition chimique et les conditions thermiques. De ce fait, le cycle d’affinage global est généralement long.
Cet article s’appuie sur l’expérience pratique d’ingénieurs chevronnés du groupe Shanghai Metallurgy Equipment (SME Group), combinée à une littérature métallurgique faisant autorité, afin de fournir un aperçu clair des points forts, des faiblesses, des types de configuration et des méthodes fondamentales d’affinage de la fabrication traditionnelle de l’acier au four à arc électrique.
1. Principaux inconvénients de la production d’acier traditionnelle au four à arc électrique
Malgré sa longue histoire et sa logique de contrôle des processus bien établie, la voie traditionnelle du four à arc électrique présente plusieurs inconvénients notables :
- Environnement de travail difficile
Les rayonnements et le bruit des arcs électriques restent importants. Malgré les mesures de protection, une exposition prolongée peut nuire à la santé des travailleurs. - Teneur en gaz plus élevée dans l’acier
Les limitations de la qualité des déchets métalliques, ainsi que la dissolution de l’hydrogène et de l’azote causée par l’arc électrique, entraînent des niveaux de gaz plus élevés que lors de la fabrication d’acier au convertisseur. - Accumulation d’éléments résiduels nocifs
L’utilisation répétée de déchets peut entraîner un enrichissement en cuivre (Cu), en étain (Sn) et en autres éléments indésirables. - Davantage de risques pour la sécurité et de dangers opérationnels
Les températures élevées, les arcs électriques puissants, les cycles de charge fréquents et les interventions manuelles rendent la gestion de la sécurité plus exigeante. - Mécanisation réduite et consommation énergétique accrue dans les fours à arc électrique de petite et moyenne capacité
L’oxygénation manuelle traditionnelle augmente la pénibilité du travail, diminue l’efficacité et génère une forte pollution. La Chine a déjà interdit la construction de fours à arc électrique de moins de 70 tonnes utilisant des aciers non spéciaux, ce qui témoigne du caractère obsolète des unités de petite capacité.
2. Deux configurations typiques d’agencement d’un four à arc électrique
Les installations traditionnelles de fours à arc électrique adoptent généralement l’une des deux configurations de base suivantes :
1. Configuration élevée (plus avancée)
Le four est installé sur une plateforme d’environ 5 mètres de haut. La coulée de l’acier s’effectue à l’aide de chariots porte-poches ou de ponts roulants, et les scories sont évacuées par la porte du four. Cette configuration facilite la gestion des scories, réduit les goulots d’étranglement, améliore la sécurité et, de manière générale, augmente la productivité. C’est la configuration privilégiée dans la plupart des installations modernes.
2. Configuration au niveau du sol (investissement moindre mais obsolète)
Le four est installé au niveau de l’atelier principal, avec une fosse à scories pour la réception de ces dernières et une fosse de coulée pour la mise en place des poches de coulée. Bien que l’investissement initial soit moindre, les limitations liées à la gestion des scories, la fréquence accrue des accidents et la baisse de productivité rendent cette configuration moins avantageuse.
3. Principales méthodes de fabrication de l’acier dans un four à arc électrique traditionnel
Trois principales méthodes de raffinage sont couramment utilisées dans la pratique traditionnelle des fours à arc électrique :
1. Méthode d’oxydation
Un procédé complet en trois étapes comprenant la fusion, l’oxydation et la réduction. L’étape d’oxydation assure la déphosphoration complète et une décarburation importante, tandis que l’étape de réduction effectue la désoxydation, la désulfuration et l’ajustement de l’alliage.
2. Méthode sans oxydation
Un procédé simplifié sans étape d’oxydation et donc sans déphosphoration. Les opérateurs s’appuient sur un contrôle précis des matières premières, avec un dosage minimal des éléments d’alliage. Une fois fondus et à température, la chaleur est directement utilisée pour la réduction et l’ajustement final de la composition.
3. Méthode de retour par insufflation d’oxygène
Procédé hybride. Lorsque la ferraille fond (à environ 80 % de sa température de fusion), une quantité contrôlée d’oxygène est insufflée pour faciliter la fusion. Une fois la fusion complète et la température atteinte à environ 1 570 °C, de l’oxygène est de nouveau insufflé pour la décarburation, le dégazage et l’élimination des inclusions. Viennent ensuite la prédésoxydation, l’élimination du laitier, la réduction, l’alliage et la coulée.
4. Comprendre les trois étapes du raffinage traditionnel au four à arc électrique
Le modèle classique en « trois étapes » reflète l’évolution chimique et thermique de la chaleur :
- Étape de fusion
Les arcs électriques pénètrent la charge et font fondre la ferraille pour obtenir de l’acier liquide apte aux réactions chimiques. - Étape d’oxydation
Une fois le bain fondu et à la température requise, on procède à la déphosphoration et à la décarburation, suivies de l’élimination de la majeure partie des scories oxydantes. - Étape de réduction
Des désoxydants et des éléments d’alliage sont ajoutés pour affiner la qualité de l’acier, éliminer le soufre et les inclusions, ajuster la composition et atteindre la température de coulée.
Étant donné que toutes les opérations de fusion, d’élimination des impuretés, de réduction et de contrôle final de la chimie se déroulent dans un seul four et selon une seule séquence, le procédé traditionnel de fabrication d’acier au four à arc électrique est connu sous le nom de procédé en trois étapes, constituant la base opérationnelle d’une pratique plus ancienne mais encore largement comprise des fours à arc électrique.
5. Avantages et importance pratique de la production d’acier traditionnelle au four à arc électrique
Bien que la production d’acier au four à arc électrique traditionnel présente des limites bien connues, son procédé classique d’affinage en trois étapes offre encore des avantages uniques et irremplaçables pour certaines nuances d’acier. Dans certaines régions, ce procédé conserve des applications pratiques et reste en vigueur dans des conditions de production spécifiques. De plus, de nombreux principes de fonctionnement utilisés dans la production d’acier au four à arc électrique moderne sont étroitement liés aux pratiques traditionnelles en trois étapes. C’est pourquoi la compréhension de ce procédé traditionnel demeure essentielle et pertinente pour les opérations sidérurgiques modernes.
