Les ferrailles d’acier et porosité sont au cœur de cette étude sur les billettes d’acier B500, mettant en lumière les causes des défauts de porosité liés aux processus de fabrication et aux propriétés chimiques des matières premières utilisées dans l’aciérie électrique AQS.
Matières chargés dans le four à arc électrique
Le four à arc n’étant pas capable de fondre directement du minerai de fer (Fe2O3), les ferrailles, le fer pré réduit ou la fonte. Ces trois matières premières ont des compositions de la charge de four et donc des propriétés d’usage différentes. Suivant les proportions utilisées, le sidérurgiste peut atteindre la qualité d’acier voulue, essentiellement déterminée par la teneur en produits résiduels présents dans les matières premières [9].
Ferrailles d’acier (scrap)
Les ferrailles, issues de la récupération ou de la collecte interne, constituent la principale matière première employée par les usines à four à arc électrique. Si les chutes internes (ressources propres) représentent des matières premières d’excellente qualité, les ferrailles, provenant de la récupération, sont la principale source d’éléments résiduels des aciers fabriqués par le four à arc.
Les éléments résiduels, présents dans les ferrailles, peuvent avoir des effets négatifs sur les propriétés des aciers et doivent être plus au moins limités en fonction de l’utilisation finale de l’acier.
Classification :
La ferraille peut être classée selon les caractéristiques suivantes :
Composition chimique : peut être divisé en ferraille alliée et non alliée ; cette division est faite afin de récupérer les éléments d’alliage ayant une certaine valeur tels que le Cr, le Ni, le Mo, etc.
Taille : la taille maximale des morceaux individuels de ferraille ne doit pas dépasser les 0,5 x 0,5 x 1,5 m
Densité : densité moyenne ~ 0,7 tonne/m3 et séparation : léger, moyen et lourd
Forme : Dirigée vers le processus technologique comme elle se présente (rognures, déchets d’emboutissage) ou sous forme traitée (paquets compressés, balles)
Degré de contamination : d’une « ferraille bleue » très propre (retours provenant de l’industrie automobile) à une ferraille « très contaminée » (par exemple des rebuts en acier séparés du laitier)
Origine : entre secteur de l’aciérie et de la ferraille externe achetée (usines de traitement de la ferraille importée ou locale).
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Figure II.4 : Exemple de ferraille utilisé dans le four à arc.
Les pré réduits (DRI)
Les pré réduits (DRI : Direct ReducedIron), issus de la réduction partielle du minerai de fer par des gaz riches en CO ou H2. Caractérisés par leur degré de métallisation, leur teneur en carbone et en gangue, les prés réduits se présentent généralement sous forme de billes de diamètre inférieur à 20 mm Pour permettre leur transport et stockage les prés réduits peuvent être compactés à chaud sous forme de briquettes.
L’utilisation des pré réduits ne nécessite pas une adaptation particulière des fours à arc. La régularité de leur taille en fait un produit particulièrement bien adapté au chargement continu. Introduits généralement près des électrodes pour éviter qu’ils se collent sur les parois du four, les prés réduits permettent, de diluer les éléments indésirables présents dans les ferrailles et également d’obtenir des teneurs en gaz (azote) inférieures.
La fusion des pré réduits cependant nécessite plus d’énergie que dans le cas de la ferraille, il faut environ 650 kWh d’énergie électrique pour élaborer une tonne d’acier. Le DRI peut être chargé en continu dans le four pendant la fusion (volume de coque réduit, perturbations électriques réduites lors de la charge continue, etc.).
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Figure II.5 Billes de fer pré réduit.
Composition chimique des matières chargé dans le four : ferraille / DRI
| Tableau II.3 : Composition chimique ferraille/Oxyde de fer FeO | ||
|---|---|---|
| DESCRIPTION | FERRAILLE | DRI |
| % C | 0,23 | 2.5 |
| %Mn | 0,52 | / |
| %Si | 0,20 | / |
| % P | 0,044 | < 0,040 |
| % S | 0,040 | < 0,01 |
| %Gangue totale | / | 4.8 |
| %SiO2 | / | 2.2 |
| % CaO | / | 0.9 |
| Basicité de la gangue(CaO /SiO2) | / | 0.35 |
| %Fetot. | / | 91.0 |
| %Métallisation | / | 94.0 |
| %Fines | / | 2.5 |
| Densité(kg/m3) | 600 | 1600 |
- La fonte
La fonte, métal fortement carburé, produite par les hauts fourneaux, peut être utilisée sous forme solide ou liquide (la fonte solide, exempte de polluants, permet de diluer les résiduels introduits par les ferrailles. Toutefois, la forte teneur en carbone impose une longue phase de décarburation, au cours de laquelle de l’oxygène est insufflé afin de brûler le carbone. Cette opération génère un volume important de gaz et peut augmenter la durée du cycle de fusion diminuant ainsi la productivité du four.
Autres additifs
– Matériaux de fabrication de laitier (chaux brulée ou chaux dolomitique)
| Tableau II.4: Caractéristiques de la chaux et de la dololime | ||
|---|---|---|
| COMPOSITION CHIMIQUE | CHAUX | DOLOMITE |
| CaO (%) | 92min. | 55-60 |
| MgO(%) | 1,5 max | 33-37 |
| SiO2(%) | 2,4 max | 2,4 max |
| Al2O3(%) | 0,0 | 0,5 max |
| P2O5(%) | 0,15max | 0,15max |
| S (%) | 0,2 max | 0,2 max |
| Fe2O3(%) | 0,8 max | 1,5 max |
| Mixture(%) | 1,0 max | 0,3 max |
| CO2(%) | 2.5 | 2.0 |
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Figure II.6 : chaux + dolomite
- Les éléments carburants
On peut citer comme principales sources des éléments carburants dans le four à arc : Coke métallurgique 3-5 mm, 5-15mm, 10-30mm.
Carbone injecté sous forme de poudre. Débris d’électrodes, charbon anthracite.
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- b)
Figure II.7 : a) Carboneinjecté.
- Carbone 10-30mmchargé
| Tableau II.5 : a) Caractéristiques de carbone injecté. | |
|---|---|
| analyse du charbon | % |
| Humidité | 0,7 max |
| Cendre | 10,0max |
| volatile | 2,0 max |
| Carbone fixée | 85,0 min |
| sulfure | 1,0 max |
| phosphore | 1.0 max |
| Taille de carbone | % |
| 0.3 ÷3.0mm | 100% |
| 1.0÷3.0mm | 70% min |
| b) Caractéristiques de carbone chargé. | |
|---|---|
| analyse du charbon | % |
| Humidité | 0.6 max |
| Cendre | 11 max |
| Volatile | 1,5 max |
| Carbone | 85 min |
| Sulfure | 0,75max |
| Phosphore | 0,025max |
| Taille de carbone | 25-50mm |
- Les ferro-alliages
Sont employés essentiellement pour la désoxydation et dosage du bain métallique selon les nuances de l’acier à obtenir. Les principaux ferro-alliages utilisés sont :
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Marche d’une opération dans le four électrique
Une opération au four à arc électrique comporte des étapes de procédures nettement distinctes qui sont les suivantes :
Chargement du four (Chargement du lit de fusion)
Le chargement dans le four est toujours une opération importante et délicate du processus, à la fois en termes de mesures visant à éviter les dommages au revêtement du four et des panneaux et à faciliter le processus de fusion. Le four électrique est chargé de la ferraille au moyen des paniers en acier spécieux , qui peuvent décharger la ferraille dans le foyer par leur ouverture.
Avant de charger la ferraille, les électrodes sont soulevées hors du four et le toit est relevé et tourné. Ensuite, un panier (godet) à ferraille est placé au-dessus du four ouvert. Le godet est transporté au-dessus de la cuve par une grue et l’ouverture de la vanne de godet est actionnée par une commande de charge.
Le godet est ouvert lorsqu’il est au-dessus du four, avec l’axe vertical au centre aligné avec l’axe du four ; La base du godet est à environ 0,5 m maximum au-dessus du haut du four pour éviter d’endommager à la fois les vannes à godets et les panneaux refroidis par le four.
La séquence d’ouverture du godet est la suivante :
Le chariot de levage auxiliaire serre les câbles d’ouverture du godet et en même temps le chariot principal abaisse le godet ;
Le chariot auxiliaire ouvre rapidement le godet faisant tomber la ferraille dans le four. Si possible, le chariot principal abaisse le godet et accélère l’ouverture de la vanne ; une fois le four chargé, le chariot principal soulève le godet et le chariot secondaire abaisse et ferme le godet qui est ensuite enlevé.
Enfin, le toit est tourné et abaissé afin de fermer le four. Ensuite, le disjoncteur du four est fermé, les électrodes abaissées automatiquement et le four est prêt à commencer ou à poursuivre le processus.
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Figure II.8 Placement du godet au-dessus Figure II.9 Chargement de la ferraille du four. dans le four.
Le chargement du four se fait selon un ordre progressif, dont la quantité au godet dépend de la densité des fer, en général de 2 à 4; La tendance actuelle est de fonctionner avec seulement deux charges. Dans certains cas, il est possible de charger un seul godet (en raison du volume de l’EAF, des caractéristiques des ferraille et de la densité) ou de compléter la charge avec des Billes de fer pré-réduit (DRI) alimenté en continu. À l’aide d’un system des convoyeurs et d’une trémie de chargement fixé au toi de four.
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Figure II.10 Alimentation de pré réduit DR
Période de fusion
Le four étant chargé par ferraille, le transformateur est mis sous tension et les trois électrodes sont descendues sur la ferraille. Les arcs s’allument entre l’extrémité des électrodes en graphite et la charge.
Le métal fond rapidement sous l’action de la chaleur dégagée par l’arc et les électrodes descendent lentement jusqu’au moment où sous les arcs s’est formé un bain de métal fondu. A partir de cet instant les arcs travaillent {l’intérieur du puits creusé {travers la charge, leur rayonnement fait ruisseler le métal et la charge s’affaisse peu {peu sur la sole.
La quantité de bain augmente et noie à peu près complètement à un moment donné, les ferrailles non fondues. Les électrodes remontent au fur et à mesure que le volume du bain augmente. Alors commence la dernière période de la fusion, le rayonnement des arcs n’est plus limité par la charge, la surface du bain sous les électrodes est relativement grande, toute la scorie qui s’est formée au fur et mesure de la fusion du bain empêche cependant un rayonnement trop intensif vers la voûte.
La fusion donc peut se diviser en trois périodes bien caractérisées nécessitant des conditions d’exploitation bien distinctes ;
L’allumage d’arc et le début de fusion
Fusion de la charge et la formation du bain de fusion Achèvement de la fusion et la formation du laitier. [10]
Allumage de l’arc et début de la fusion
La durée de cette période est d’environ 2 minutes. En cas de charge de ferraille, le but est d’immerger rapidement la pointe d’électrode dans la charge de ferraille et de protéger le toit du four et les panneaux situés sur les parois de four du rayonnement de l’arc. (Certain temps le four est chargé à 100% DRI oxyde de fer, le but est d’augmenter la température du bas du four afin de permettre une augmentation de taux d’enfournement du DRI (feedrate))
Les arcs creusent des puits dans la charge froide. Les électrodes descendent lentement au fond de ces puits, puis commencent à remonter.
Des arcs relativement courts sont utilisés pendant cette période (pour avoir un faible rayonnement), des courants élevés (pour une perforation rapide de la ferraille) et un faible facteur de puissance (cos φ<0,750 pour augmenter la stabilité de l’arc sur la ferraille froide).
Une ou deux étapes de voltage de démarrage suffisent pour effectuer les premières étapes.
La ferraille légère doit être utilisée comme couche de ferraille supérieure, pour une perforation plus rapide et plus facile.
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Figure II.11: Ignition d’arc électrique et début de fusion
Fusion d’oxyde de fer DRI
Le chargement du DRI dans le four est régulé pour maintenir la température du bain d’acier liquide à environ 1560-1580 °C.
Lorsque l’alimentation en DRI suit la charge en ferraille, le lit de fusion doit être fondu jusqu’à environ 300 kWh / tonne afin de garantir une quantité suffisante de bain liquide lors du démarrage de l’alimentation en DRI, favorisant ainsi la fusion du DRI.
Pendant l’alimentation continue DRI, toutes les 10 minutes la température du bain doit être vérifiée et un échantillon doit être prélevé pour l’analyse chimique : la température doit rester autour de 1570 °C, le carbone à 0,08-0,15%. Des températures plus basses provoquent une consommation d’énergie plus élevée en raison d’une solidification du DRI qui nécessitera une grande quantité d’énergie pour le refondre. Des températures plus élevées signifient des pertes d’énergie élevées par rayonnement.