L’oxydation du bain d’acier joue un rôle crucial dans l’apparition de défauts de porosité sur les billettes d’acier de nuance B500. Cette étude analyse les facteurs influençant l’oxydation, notamment les caractéristiques de la charge et l’afflux d’air dans le four.
La période d’oxydation des éléments Introduction
La période d’oxydation d’une fusion commence en fait avec la formation d’un bain de métal liquide sous les électrodes. Le degré d’oxydation du bain fondu est déterminé par :
- Caractéristiques chimiques et physiques de la charge (par exemple : les ferrailles légères s’oxyderont dans l’atmosphère du four à un degré plus élevé que les ferrailles lourdes, fonte, DRI, etc.).
- Afflux d’air dans le four.
- Taux d’alimentation en oxygène (soufflage direct et / ou ajout d’agents oxydants sous forme de minerai de fer, la calamine).
La teneur en carbone dans le bain doit toujours être ajustée pour fournir une ébullition active qui agite le métal, de sorte que la température et la composition chimique sont homogénéisées, les niveaux d’azote et d’hydrogène sont minimisés et une bonne interaction entre le laitier et le métal peut se produire.
L’injection d’oxygène plus le mélange de laitier et de métal améliorent considérablement les vitesses de réaction. Au fur et à mesure de l’oxydation, la température du bain augmente et l’ébullition du carbone devient encore plus dynamique, l’augmentation de la fluidité du bain d’acier permet d’éliminer les macro-inclusions non métalliques dans le laitier.
Oxydation du carbone
Au cours du processus de fabrication de l’acier dans le four à arc, il faut fournir de l’oxygène gazeux pour la décarburation (oxydation de carbone), Cela peut être fait en utilisant des lances à oxygène supersoniques à travers la paroi latérale du four, en maintenant la porte du laitier pratiquement fermée, réduisant ainsi la quantité d’air entrant dans le four de même que les pertes d’énergie avec les gaz dégagés.
La relation entre le taux d’alimentation en oxygène et en carbone, ainsi que l’oxygène présenté sous- forme de FeO et le carbone déjà présent : détermineront le changement de composition chimique du bain pendant le cycle de fusion.
L’oxygène étant injecté principalement dans le métal, des conditions très favorables { la décarburation sont créées; Cette injection crée une zone de réaction très turbulente dans laquelle le carbone contenu dans le métal peut réagir avec l’oxygène ou le FeO.
Également, l’injection de carbone dans le laitier crée des conditions favorables à la réduction de FeO avec le carbone.
La réaction de décarburation se produit par réaction directe avec l’oxygène et / ou par réaction avec le FeO se formant par oxydation du bain d’acier:
C + ½ O2 = CO (gaz) C + FeO = CO (gaz) + Fe
Cette réaction a une grande influence sur l’évolution des autres processus physico- chimiques. Cette influence est expliquée par la formation d’une quantité énorme de bulle gazeuse CO. Le volume de CO dégagé dépasse de plusieurs fois celui du métal à travers lequel il se dégage. Ainsi, à 1550°C, le volume de CO formé par l’oxydation de 0,1% de carbone dépasse de 100 fois celui du métal.
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Figure II.12 : réactions d’oxydation de carbone survenant lors de la fusion. [1]
Oxydation du carbone par réaction avec FeO ;
L’oxydation du carbone dans le bain métallique par l’oxyde de fer FeO par l’interaction entre le métal et le laitier passe par plusieurs étapes :
- Diffusion de FeO travers la couche de laitier en direction de l’interface laitier- métal,
- Passage de l’oxygène (accompagné du fer) dans le métal { travers l’interface laitier- métal,
- Diffusion convective de l’oxygène vers l’endroit de l’évolution de la réaction chimique,
- Réaction chimique entre l’oxygène et le carbone
- Formation des bulles de CO (nouvelle phase gazeuse) ;
- La germination des bulles de CO se déroule dans les pores
- La bulle continue a grossie et s’enrichisse avec CO
- La bulle prend la forme sphérique pendant qu’elle se détache du pore
- La bulle de CO est tirée vers la surface suit { la force d’archimède
- Les bulles de CO formée dans le métal montent à travers le laitier vers l’atmosphère du four.
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Figure II.13: Formation de bulle de CO suit de sa monté vers l’atmosphère du four
Le dégagement de CO sous forme de bulles à travers le métal et le laitier provoque un brassage intensif de ces deux phases. En flottant vers la surface, ils absorbent les gaz dissous dans le métal (H2, N2) et les emportent vers l’atmosphère du four. De plus, leur mouvement vers la surface provoque la montée et l’élimination des inclusions non métalliques.
Généralement, le bain d’acier est oxydé à une basse teneur en carbone pour répondre aux spécifications de nuance d’acier et permettre une bonne déphosphoration.
Pour la plupart des nuances d’acier au carbone pour la production de bobines/rond à béton, ce niveau de carbone peut être fixé dans l’intervalle 0,02-0,15%.[11]
Oxydation du phosphore
La teneur de phosphore doit être limitée de 0,025 à 0,040%. [De 0,02 à 0,05% pour les aciers ordinaires, de 0,015 {0,008% pour la majorité des aciers de qualité et ˂0,0004% pour les aciers travaillant dans des conditions de très basses températures].
L’élimination du phosphore par oxydation dans le bain métallique est une obligation !
Car :
Il provoque un grossissement du grain en s’existant en solution dans la ferrite, ce qui augmente la fragilité de l’acier à froid. En se ségrégant facilement, contribue à l’hétérogénéité de l’acier.
Il augmente la limite élastique et la charge de la rupture tout en diminuant considérablement la plasticité et la ductilité.
A la base, l’élimination du phosphore, l’une des réactions chimiques les plus importantes survenues lors de la fusion, est déterminée par la basicité et la température du laitier ; sa teneur en fer, du fait que le penta-oxyde de phosphore résultant de la réaction entre le phosphore et l’oxyde de fer est fixée dans le laitier par la chaux libre sous forme de phosphate de calcium.
L’unique moyen de déphosphoration est l’élimination du phosphore { partir de l’acier liquide dans Un laitier hautement basique et oxydant (riche en CaO et FeO).
Afin d’éliminer le phosphore de l’acier liquide, le seul moyen est de le lier {l’oxygène, l’éliminer dans un laitier et le lier par l’oxyde de calcium (CaO).
La réaction d’oxydation du phosphore par l’oxyde de fer (théoriquement) qui inclut l’adsorption de l’oxygène et l’interaction avec le phosphore est la suivante :
[Fe2P] + (O2-)= (PO) + 2 [Fe]4+
2e[Fe2P]+4(O2-)=(PO−−−)+ 2[Fe]+5e
————————————————-
[P]+5(Fe2+)+4(O2-)=(𝑃𝑂3−)+5[Fe]
2 4 2
Les conditions les plus favorables permettant une élimination maximale du phosphore est l’augmentation de la concentration de CaO et la diminution de celle de SiO2 dans le laitier, autrement dit : la déphosphoration est favorisée par l’augmentation de la basicité du laitier et la concentration de FeO (en réalité, l’augmentation de FeO est limitée).
Comme la déphosphoration par FeO uniquement est impossible, On ajout de la chaux CaO pour achever une bonne déphosphoration. Les réactions suivantes présentent le processus :
2 [P] + 5 [O] + 3 (FeO) = (3 FeO P2O5)
(3 FeO P2O5) + 4 (CaO) = (4 CaO P2O5) + 3 FeO
Le CaO pouvant décomposer le FeO de sa liaison avec le P2O5 car c’est une base forte et par la suite peut se lier solidement avec le P2O5
Un pourcentage élevé d’oxygène dans la scorie et aussi dans le bain signifie une bonne scorification et oxydation du phosphore.
En global : 2[P]+5[FeO]+n[CaO]= [nCa, P205] + 5 Fe (avec n=3ou4)
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Figure II.14 oxydations du phosphore vers le laitier [1]
Facteurs favorisant la déphosphoration de l’acier :
Basicité du laitier (laitier basique moussant, concentration élevée en chaux) Teneur en oxyde de fer (souffler de l’oxygène augmente l’oxydation du laitier)
Température de l’acier (relativement basse, car il s’agit d’une réaction exothermique)
Les conditions optimales de la déphosphoration sont bien une valeur de basicité comprise entre 1,5 et 3, une teneur en oxyde de fer d’environ 20 à 30 %, la température du bain d’acier ne dépasse pas 1580° C.
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(a) (b)
Figure II.15a) : Influence de basicité et le rapport CaO/FeO sur coefficient de partage de phosphore Lp
b) Variation du rapport de distribution du phosphore avec la basicité du laitier [12]
Discussion :
La figure b) montre qu’à une concentration élevée d’oxydes de fer dans le laitier de 40 à 45%, la basicité du laitier a un faible effet sur le rapport de partage du phosphore Lf, en même temps, avec une teneur modérée en FeO dans le laitier de 25 à 30%, la basicité du laitier a un effet significatif sur le rapport de partage, le Lf maximum = 50-75 obtenu à la base B = CaO/SiO2 ≈ 2.5- 3.0.
Oxydation silicium /manganèse
- Silicium
La teneur du silicium dans l’acier varie de 0,05 – 0,3%, il existe surtout à l’état de solution ferrite. Son influence n’est pas très importante sur les propriétés de l’acier, mais rend toute fois l’acier plus homogène à la coulée, en s’opposant, grâce à son pouvoir réducteur à la formation de soufflures, l’un des défauts les plus fréquents qu’on rencontre après solidification de l’acier. Ce qui nécessite son élimination du bain. L’oxydation du silicium se déroule selon la réaction suivante :
[Si] + 2(FeO) = 2 [Fe] + (SiO2)
L’oxyde de silicium forme par sa réaction avec la chaux CaO : des silicates sous forme de 2CaO.SiO2 très stables. Cette formation entraîne la diminution de l’activité de SiO2 dans le laitier basique ; de plus en présence d’une grande activité de FeO caractéristique de la période de fusion et d’oxydation, le silicium s’oxyde totalement.
- Manganèse
La teneur du manganèse dans l’acier varie de 0,2 à 0,8%, existe en solution dans la ferrite sous forme de MnS et surtout sous forme de carbure Mn3C associé à la cémentite Fe3C.
Au niveau du bain de fusion, l’oxydation du manganèse se déroule { la l’interface Métal
- Laitier. Selon la réactionsuivante :
[Mn] + (FeO) = (Mn0) + [Fe]
- L’extraction des scories (déslaging)
Durant cette étape, on injecte du carbone dans la scorie pour réduire le FeO restant et permettre la formation de mousse. le laitier et les scories sont retirés par basculement du four en arrière.
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Figure II.16 Décrassage de scories Figure II.17 Pot de scories
Coulée (tapping)
Quand la température du bain est suffisante (environ 1620 °C), le métal en fusion est coulé et transporté vers un four poche, le trou de coulée est ouvert et le four est basculé pour permettre l’évacuation de I’ acier liquide. Un fond d’acier en fusion qui est appelé de bain et qui représente 48 tons est maintenu dans la cuve. Ensuite, le four poche est évacué vers la coulée continue. Les aciéries électriques de l‘AQS contiens deux fours à arc électrique d’une capacité d’environ 120 T chaque fusion et pour une consommation électrique d’environ de 80 MW.
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Figure II.18Coulée de l’acier Figure II.19 Transport de l’acier vers l’affinage l’affinage en poche
Affinage en poche
Dans le domaine de la métallurgie secondaire des types variées de procédées d’affinage ont été développée et mis en œuvre pour concilier les exigences de la qualité et obtenir une productivité et des économies plus importante. Le rôle de la métallurgie en poche consiste à mettre à nuance et à température l’acier liquide. Le procédé four poche dénommée LF est utilisée pour l’affinage en milieu réducteur de l’acier liquide.
Désoxydation
La désoxydation de l’acier commence pendant l’addition d’alliage lors de la coulée. Le but de la désoxydation est l’obtention d’un acier calmé (acier pauvre en O2) de façon à éviter la formation de défaut (soufflures), Pendant la solidification de l’acier . Le carbone a une affinité chimique à l’oxygène plus élevé que celle de manganèse, donc le manganèse ne peut pas désoxyder l’acier liquide au four à arc électrique, seulement avec la diminution de la température de l’acier la capacité désoxydante du manganèse augmente, c’est pour cela que lors de la solidification de l’acier, le manganèse peut désoxyder l’acier. la réaction de désoxydation par manganèse est :[Mn] + [O] => (MnO).
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Figure II.20: Courbe de désoxydation Mn-O
Le silicium est utilisé pour la désoxydation de tout l’acier suite à sa grande affinité chimique à l’oxygène. La réaction de désoxydation par Si est :
[Si] + 2 [ 0 ] => ( Si O 2 ).
Les produits de réaction SiO2 et le MnO s’attirent fortement parce que le SiO2 a un caractère acide alors que MnO est fortement basique : un silicate de manganèse se formera donc, dans lequel les activités du Si02 et du MnO sont fortement réduits. La désoxydation de précipitation génère des inclusions de laitier amovible par flottation dans le bain de métal.
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Figure II.21: l’effet d’utilisation de Si seul et Si+Mn sur la désoxydation d’acier Après la désoxydation, la cible est un rapport Mn / Si> 3.
Cela garantit que le silicate formé au manganèse est liquide aux températures d’élaboration.
L’aluminium est un fort désoxydant, permet de calmer l’acier complètement et d’éviter l’oxydation du carbone pendant la solidification de l’acier. La réaction de désoxydation par aluminium est :
2[A1] + 3 [O] => (A12 O3)
Désoxydation complexe
Généralement, l’acier est désoxydé non pas par un seul désoxydant mais par trois ou plusieurs désoxydants (Mn, Si, A l,. .) ce qui permet une désoxydation totale ainsi qu’une formation d’inclusions non métalliques (oxydes) plus aptes à s’éliminer du métal.
La désulfuration est effectuée selon les réactions chimiques suivantes :
[FeS] + (CaO) => (CaS) + (FeO)
[FeS] + (MnO) => (MnS) + (FeO)
[FeS] + (MgO) => (MgS) + (FeO)
La réaction de base est la première, c’est-à-dire que la chaux est le désulfurant le plus efficace. Les conditions optimales de désulfuration sont les suivantes :
1– Une température élevée et un laitier basique (riche en CaO). 3- Un milieu réducteur (teneur en FeO dans le laitier basse).
Les meilleures conditions sont données pour la désulfuration de l’acier dans le four poche. On y trouve, outre le laitier basique avec faible teneur en FeO en MnO le contact des phases intimes acier/laitier déjà décrit également des températures de processus relativement élevées. L’efficience de la désulfuration est encore augmentée par l’utilisation de mélanges de désulfurant spéciaux (pexeSulfex, Desulfat).
Elimination des inclusions non métalliques
L’élimination des inclusions non métalliques s’effectue par leur passage vers le laitier ou les réfractaires qui sont en contact avec le métal liquide dans lequel elles se sont formées. Le déplacement des inclusions vers le laitier ou les réfractaires se déroule soit grâce à leur flottation ou grâce au transfert provoqué par les courants du métal.