La porosité dans l’acier B500 est principalement causée par l’utilisation d’azote comme gaz de barbotage, remplaçant l’argon. Cette étude analyse les processus de fabrication et les propriétés chimiques des billettes d’acier produites dans une aciérie électrique, mettant en lumière les facteurs contribuant à ce défaut.
PARIER 2
Durant mon stage à l’acière électrique et étant en quête d’un sujet de mémoire, il m’a été proposé d’étudier un phénomène de défaut de billettes qui est l’apparition de porosités. Cette porosité ne pouvant être provoquée que par un gaz, il nous a été précisé que cette porosité apparait généralement après l’utilisation de l’azote comme gaz de barbotage à la place de l’argon (non disponible à certains moments) Nous avons procédés au prélèvement d’échantillons d’acier de nuances B500 et de laitier.
Notre attention a été attirée la haute teneur en FeO, dans le four mais surtout dans le four poche (normalement Feo <1)
Étude de causes d’apparition de porosités sur les billettes
Introduction ;
Dans l’aciérie électrique le barbotage de l’acier s’effectué d’habitude a l’argen, lorsque qu’il y a difficite d’argen on utilise de l’azote. On réalité l’azote n’est pas un gaz neutre par rapport du fer .il se dessous au fur et a mesure et peut engendrai un défaut de porosité s’il reste ce forme libre.
L’azote dans l’acier ;
Dans ces vingt dernières années, l’industrie sidérurgique s’est particulièrement
préoccupée de la fragilité anormale que l’on rencontre souvent dans le fer et dans l’acier, particulièrement avec les produits basiques. L’analyse chimique a prouvé que cette fragilité n’était pas causée par la présence de quantités anormales de phosphore, de soufre ou d’autres éléments dont l’influence est actuellement connue. Cette fragilité accidentelle est occasionnée par la présence de l’azote que le métal a fixé dans différentes périodes de sa fabrication.
L’azote est exclusivement combiné avec le fer pur, la ferrite, en formant un fer azoté dont les carbures, comme la cémentite, sont complètement exempts. L’azoture de fer existe en solution solide dans la ferrite dont il abaisse le point de fusion et en même temps les propriétés dissolvantes pour le carbure de fer. Pour ce motif, l’azote exerce une influence notable sur la qualité du métal, aussi bien du fer doux que des aciers durs et des fontes. [14]
Propriétés de l’azote :
Dans les conditions normales de température et de pression, l’azote est un gaz diatomique incolore et inodore. L’azote est trivalent dans la majorité des composés. Le diazote est généralement inerte, mais réagit spontanément avec le lithium et le magnésium. La liaison triple dans le diazote est l’une des plus fortes connues. [15]
IV. 3.4 L’azote dans l’acier liquide :
L’azote est contenu dans un acier sous forme d’inclusions non métalliques fragiles tels que Fe4N (nitrures)…, de solution solide ou à l’état libre dans les volumes défectueux du métal (retassures, criques etc.…). Les inclusions d’insertion (azote), en se concentrant aux joints de grains, forment le long de ces joints des nitrures et des oxydes, en élevant ainsi le seuil de fragilité à froid et en alternant la résistance à la rupture fragile.
Les inclusions non métalliques (nitrures) étant des concentrateurs de contraintes sont susceptibles de réduire sensiblement, si leur quantité est importante ou s’ils s’accumulent en agrégats, la limite de fatigue est la résilience. L’hydrogène dissout dans l’acier est un élément très nocif qui exerce une forte action fragilante. Absorbé pendant la fusion.
Lors de l’élaboration des aciers, l’introduction des éléments d’alliage (C, N, Mn, Cr…) se fait principalement en phase liquide à la pression atmosphérique. L’azote, contrairement au carbone, possède une limite de solubilité très faible en phase liquide [16,17]
D’après le calcul [18] -, dans le fer pur liquide à 1600 °C, la solubilité de l’azote en équilibre, avec une pression de 1 bar de gaz N2, est d’environ 0.046 % massique. De plus, même à très haute température, la solubilité de l’azote dans le fer liquide reste fortement limitée. Cette faible solubilité, en phase liquide, est un écueil au développement des nuances à haute résistance. Cependant, il reste des leviers sur lesquels on peut agir pour augmenter la solubilité de l’azote en phase liquide. Ils sont de deux ordres : on peut agir sur la composition
chimique ou sur le processus d’élaboration. Les solutions permettant d’augmenter la limite de solubilité peuvent donc s’articuler autour des points suivants :
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Figure IV.3: Solubilité de l’azote dans le fer à des températures comprises entre 600 et 2000 °
Ajout d’éléments d’alliage spécifiques :
En présence d’éléments d’alliage tels que le Cr, le Mn et le Mo (aciers inoxydables par exemple), la solubilité de l’azote en phase liquide est accrue car ces éléments interagissent thermodynamiquement avec l’azote et modifient son coefficient d’activité en phase liquide.
La figure.2 donne l’influence des éléments d’alliage sur la solubilité de l’azote à haute température,
1600 °C. Il apparaît que le Cr, le Mo et le Mn augmentent de manière significative la solubilité de l’azote en phase liquide. Les éléments d’alliage tels que le Ti et le V présentent un comportement différent. En effet, l’ajout, en faible quantité de ces éléments d’alliages, augmente la limite de solubilité de l’azote en phase liquide. L’accroissement de la teneur de ces éléments qui présentent une forte affinité pour l’azote, conduit à une précipitation sous forme de nitrures ce qui va avoir pour conséquence la diminution de la limite de solubilité de l’azote en phase liquide. On peut alors noter que cette diminution est d’autant plus forte que le produit de solubilité du nitrure est faible (c’est-àdire stable).
Il est par exemple possible d’obtenir une solubilité de 6.5 % atomique (1.7 % massique) d’azote en phase liquide contenant 55 % Fe, 30 % Cr et 14 % Ni (massique)
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Figure.IV.4 Courbes donnant l’évolution de la solubilité de l’azote [%N] à 1600ºC en Fonction de la composition en éléments d’alliage [%Me].
Action sur la pression (Procédé sous pression) :
Il est possible d’augmenter la solubilité de l’azote par nitruration d’un alliage en phase liquide sous pression élevée, pouvant aller jusqu’à 200MPa. La nitruration s’effectue généralement à 1650 ºC pendant 30 min, temps nécessaire pour que l’azote diffuse uniformément dans le liquide à cette température. Ce procédé s’appuie sur la loi de Sieverts où la solubilité de l’azote est directement proportionnelle à la racine carrée de la pression du gaz diazote N2. CN= (K/ γ N) x PN2½
- CN est la solubilité de l’azote en masse%,
- K est la constante de la réaction,
- γ N est le coefficient d’activité de l’azote,
- PN2 est la pression partielle du gaz N2 exprimée en bar.
Il apparaît donc que la solubilité est une fonction croissante de la racine carrée de la pression (Fig.5). On doit noter que pour les aciers alliés contenant d’autres éléments d’alliage, le coefficient d’activité ȖN est modifié et la fonction n’est plus linéaire (Fig.5). Cet effet de pression est mis à profit dans la technique d’élaboration sous pression dite HIP -DRIP (pour High Isostatique Pressure-Drip) qui permet d’obtenir des quantités d’azote supérieures à 1 % massique réparties de manière homogène dans le matériau.
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Figure IV. 5. Courbes donnant la solubilité de l’azote dans le fer pur et dans le système binaire Fe-Cr à teneur en chrome variable et en fonction de la racine carrée de la pression.
L’influence de l’azote sur les propriétés de l’acier :
Bien qu’étant proche du carbone dans la classification périodique, l’azote joue un rôle différent : Par son action gammagène, il est possible de diminuer la teneur en nickel tout en conservant des structures austénitiques. L’effet de l’azote sur l’énergie de faute d’empilement entraîne une amélioration des caractéristiques mécaniques. En outre, à cet effet s’ajoute l’effet inhibiteur sur la formation de phase intermétallique à fragilisant.
L’azote procure un gain de durée de vie en fluage. Toutefois effectuée pour des essais à très basse température une mise en solution correcte afin d’éliminer toute trace de précipités. A l’état vieilli, les aciers chargés en azote présentent une énergie de résilience plus faible que les aciers de classe normale.
Les essais de traction, de fluage et de résilience mettent clairement en évidence le rôle bénéfique de l’azote en solution. Ce bénéfice en présence d’azote est toutefois limité lors de la précipitation de nitrures. Concernant les essais dynamiques (fatigue endurance ou fatigue oligocyclique), peu ou pas d’études ont été entreprises sur l’effet de l’azote.
En particulier, ces effets favorables en sollicitations statiques se conservent-ils en sollicitations dynamiques ? Notons ce pendant les travaux de HU et coll. sur l’amélioration de la durée de vie par implantation d’azote, mais il s’agit pour ces expériences de: fatigue endurance sur des aciers ferriques à bas carbone.
Partie pratique
Le défaut le plus fréquent dans les billettes de grade B500 est le défaut de porosité ou les trous de soufflage. On prend un échantillon de coulée 3961 pour avoir ce défaut à l’interne.
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Figure IV.6 le coupage d’échantillon 3961 figure IV.7 le défaut de porosité dans la billette (B500) pour aperçu l’interne B500 échantillon coulée 3961
La composition chimique d’échantillon 3961 dans laquelle il apparaît défaut de porosité ;
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Tableaux IV.8 La composition chimique d’échantillon de coulée 3961
La coulée 3961 donné total de 47 billettes, 13 billettes laquelle apparaît de porosité, on remarque que la concentration de l’azote est élevée dépasse la valeur maximale. N=0,14% dans la coulée 3961 et le pourcentage maximal de l’azote dans grade B500 est N=0,12 %.
1. Nous nous sommes donc orientés vers le fait que les porosités qui apparaissent lors du barbotage par l’azote peuvent être aussi accentuées par l’oxyde de carbone en cas de mauvaise désoxydation. Pour cela on calcule concentration minimale de Cr dans la formation de nitrures (B500).