Dans le procédé d’élaboration de l’acier en four à arc électrique, un accident de bouillonnement violent désigne un événement anormal et dangereux causé par une accélération soudaine et intense de la réaction de décarburation. Lorsque cela se produit, l’acier en fusion, le laitier et les gaz du four peuvent jaillir violemment du four, entraînant des dommages matériels, de graves risques pour la sécurité des opérateurs et des arrêts de production imprévus.
Comprendre le mécanisme, les causes et la prévention de l’ébullition violente est donc essentiel pour un fonctionnement sûr et stable des fours à arc électrique.
Comprendre le mécanisme, les causes et la prévention de l’ébullition violente est donc essentiel pour un fonctionnement sûr et stable des fours à arc électrique.
Dans des conditions normales, la décarburation dans un four à arc électrique se déroule de manière contrôlée, le gaz CO produit étant absorbé et neutralisé par la couche de scories. Un accident de bouillonnement violent se produit lorsque le taux de décarburation augmente brusquement en très peu de temps, atteignant généralement environ 0,10 à 0,15 % de carbone par unité de temps.
Lorsque la production de gaz dépasse la capacité de tamponnage du laitier, le bain de métal en fusion devient instable. Cette instabilité entraîne une forte agitation du bain, une défaillance de la formation de mousse de laitier et l’éjection violente de matériaux en fusion et de fumées à haute température hors du four.
Causes courantes de l’ébullition violente dans la fabrication de l’acier en four électrique à arc.
Les accidents de bouillonnement violent sont étroitement liés à un déséquilibre du processus pendant l’étape de décarburation. Les causes les plus fréquentes sont les suivantes :
Infiltration d’eau dans le bain de métal en fusion
Des fuites provenant des panneaux refroidis par eau, des toits de fours ou des lances à oxygène peuvent permettre à l’eau de refroidissement de pénétrer dans l’acier en fusion. Aux températures de l’aciérie, l’eau se vaporise ou se décompose rapidement, provoquant une dilatation volumique soudaine qui peut déclencher instantanément une ébullition violente. Ce phénomène est considéré comme l’un des scénarios d’accident les plus dangereux lors de l’utilisation d’un four à arc électrique.
Effondrement des zones froides dans le bain
Même dans les fours à arc électrique modernes, la température et la composition ne sont pas totalement uniformes. Lorsque des débris solides ou semi-fondus provenant des zones plus froides s’effondrent dans une zone de décarburation à haute température, l’équilibre des réactions locales est perturbé, ce qui entraîne une forte augmentation de l’intensité de la décarburation.
Mauvaise coordination entre l’injection d’oxygène et l’apport d’énergie.
Si l’insufflation d’oxygène et le chauffage électrique ne sont pas correctement synchronisés, le bain de métal en fusion peut fondre complètement avant que la décarburation ne commence. Par conséquent, de l’oxyde de fer (FeO) s’accumule dans le laitier. Lorsque la décarburation finit par démarrer, la réaction peut se produire brusquement, provoquant une ébullition violente.
Soufflage prolongé de scories pour la déphosphorisation
Au cours de certaines phases d’exploitation, notamment lorsque la teneur en carbone se situe entre 0,2 % et 0,8 %, un soufflage prolongé de laitier visant à améliorer la déphosphoration peut entraîner un enrichissement excessif en FeO dans le laitier. Cela crée des conditions très instables dès que la décarburation est amorcée.
Mécanismes d’ébullition violente dans les fours à arc électrique modernes
Dans les fours à arc électrique modernes, les accidents de bouillonnement violent sont souvent associés à des conditions non uniformes dans le bain et à des déplacements soudains de la zone de réaction.
L’oxygène est principalement consommé dans les zones localisées à haute température, tandis que les zones froides peuvent encore contenir des déchets métalliques non fondus ou des matériaux partiellement fondus. Lorsque des matériaux à haute teneur en carbone provenant de ces zones pénètrent soudainement dans une région de décarburation à faible teneur en carbone, la vitesse de réaction augmente brusquement, provoquant une ébullition violente du bain.
De plus, dans une certaine plage d’apport d’oxygène, la vitesse de décarburation est contrôlée par la diffusion du carbone vers l’interface de réaction. Cette plage de concentration en carbone, communément appelée plage critique de carbone, se situe généralement entre 0,2 % et 0,8 %. Dans cette plage, les perturbations du processus sont plus facilement amplifiées, notamment lorsque la concentration en FeO dans le laitier est élevée.
Pourquoi une faible basicité du laitier est-elle une cause fréquente d’ébullition violente ?
La basicité du laitier a une influence directe sur sa capacité à transférer l’oxygène à l’acier en fusion. Un laitier à faible basicité présente une faible capacité de transfert de masse, ce qui favorise l’accumulation d’oxyde de fer (FeO) dans la phase du laitier.
Lorsque la décarburation commence, l’excès d’oxyde de fer (FeO) participe rapidement à la réaction, libérant de grandes quantités de monoxyde de carbone (CO) en peu de temps et déstabilisant le bain. L’expérience en production a constamment démontré que les accidents liés à une ébullition violente sont plus fréquents en présence de scories à faible basicité.
Identifier et réagir aux ébullitions violentes provoquées par des fuites d’eau.
L’ébullition violente provoquée par une fuite d’eau présente généralement des signes avant-coureurs clairs :
- Pendant la phase de fusion, des flammes jaunes anormales peuvent apparaître à l’intérieur du four ou dans le conduit d’évacuation des gaz.
- De la vapeur blanche mêlée à des flammes peut s’échapper violemment par la porte du four.
- Au cours de l’étape d’oxydation, l’acier en fusion présente une ébullition extrêmement violente, accompagnée d’une forte augmentation du volume des gaz d’échappement.
Dès qu’une fuite d’eau est suspectée, l’injection d’oxygène et l’alimentation électrique doivent être immédiatement interrompues, et les systèmes d’arrêt d’urgence de l’alimentation électrique et du circuit de refroidissement doivent être activés. Le four doit rester immobile et le personnel doit évacuer la zone sans délai afin d’éviter que l’accident ne s’aggrave.
Contrôle de l’ébullition violente sous différentes technologies de lance à oxygène.
Fonctionnement de la lance à oxygène consommable
Lors de l’utilisation de lances à oxygène consommables, la prévention d’une ébullition violente repose sur la limitation de l’enrichissement en FeO et la garantie d’un amorçage de décarburation en douceur. Les mesures clés comprennent des angles de lance appropriés, une formation de laitier contrôlée, un brassage adéquat du bain grâce à un apport d’énergie suffisant et une injection de carbone coordonnée pour stabiliser la chimie du laitier.
Lances à oxygène à jet cohérent supersonique
La technologie des jets cohérents supersoniques est théoriquement capable de réduire le risque d’ébullition violente. Cependant, la pratique industrielle montre que l’ébullition violente peut toujours se produire, et même être plus intense, si les conditions de fonctionnement ne sont pas correctement maîtrisées.
Parmi les principaux facteurs contributifs figurent une basicité insuffisante du laitier, une mauvaise coordination entre l’apport d’oxygène et le chauffage du bain, des systèmes d’injection de carbone défectueux et des concentrations élevées d’éléments d’alliage qui inhibent les réactions de décarburation.
Une prévention efficace repose sur le maintien d’une basicité appropriée du laitier (environ 2,0), l’optimisation du mélange de ferrailles et des pratiques de chargement, la garantie d’une injection de carbone stable, l’évitement d’un soufflage d’oxygène intense à basse température du bain et l’amélioration de l’agitation du bain grâce à un apport d’énergie électrique.
Pourquoi la production d’acier n’est pas recommandée à basse pression d’oxygène ?
Lorsque la pression d’oxygène est trop faible, le jet d’oxygène ne peut pas pénétrer efficacement l’interface scorie-métal, ce qui réduit considérablement l’agitation du bain. Cette situation favorise l’accumulation d’oxyde de fer (FeO) dans la scorie et augmente le risque d’ébullition violente.
Un apport insuffisant en oxygène perturbe également la transition de la phase de fusion à la phase d’oxydation, complique la déphosphoration et la décarburation, et rend le contrôle de la température plus difficile. Par conséquent, les risques pour la sécurité opérationnelle et les coûts de production augmentent, ce qui rend l’insufflation d’oxygène à basse pression inadaptée à l’élaboration de l’acier en four électrique à arc.
