Les causes de porosité acier B500 sont analysées à travers l’étude des défauts sur les billettes produites dans une aciérie électrique. L’article examine les processus de fabrication et la composition chimique, mettant en lumière les facteurs influençant l’apparition de ces défauts.
CHAPITRE IV
ETUDE DE CAUSES D’APPARITION DE POROSOSITES DANS LES BILLETES
IV. ETUDE DE CAUSES D’APPARITION DE POROSOSITE DANS LES BILLETES
IV. Partie 1
1. Calcul du bilan de matières
Calcul du bilan de matières avec période oxydante complète :
Le calcul se fait pour 100 Kg de charge métallique.
| Tableau IV.1 : Composition chimique de la nuance B500 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Eléments | C | Mn | Si | P | S | Cr | Cu |
| % | 0,19 0,22 | 0.60 0,80 | 0,15 0,30 | – 0,045 | – 0,030 | – 0,25 | – 0,20 |
| Moyenne % | 0,20 | 0,66 | 0,20 | ≤0.025 | ≤0.020 | 0.10 | 0.10 |
| Tableau IV.2 : Composition chimique des matières fondantes et réfractaire | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Eléments Fondants | CaO | MgO | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaF2 | P2O5 | CO2 | H2O | S | Cr2O3 |
| Chaux | 82 | 3,30 | 2,50 | 1 | 9.6 | _ | 0,10 | 0.20 | 0,20 | 0,10 | _ |
| Minerai de Fer | 0,10 | 0,30 | 6,25 | 2,50 | 90 | _ | 0,25 | _ | 0,17 | _ | _ |
| Spath-fluor | 0,40 | _ | 0,10 | 0,20 | 0,80 | 95 | _ | 0,30 | _ | 0,20 | _ |
| Sable | _ | _ | 97 | 1 | 2 | _ | _ | _ | _ | _ | _ |
| Magnésie | 3,50 | 90,25 | 3,45 | 0,80 | 2 | _ | _ | _ | _ | _ | _ |
| Cendre d’électrode | 11,8 | _ | 56,5 | 31,7 | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ |
| Chamotte | 0,70 | 0,30 | 62 | 35 | 2 | _ | _ | _ | _ | _ | _ |
| Cendre de Coke | 5 | 1 | 48,7 | 25 | 20 | _ | 0,30 | _ | _ | _ | _ |
| Chrome-Magnésie | 2 | 66 | 6,50 | 4 | 11,5 | _ | _ | _ | _ | _ | 10 |
| Tableaux IV.3 : Composition chimique de la charge métallique ferroalliages et coke. | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Eléments | C | Si | Mn | Cr | Al | P | S | Cdr | Fe | Ca | Ti | Mv |
| Ferraille | 0,40 | 0,30 | 0,36 | 0,035 | _ | 0,05 | 0,05 | _ | 98,80 | _ | _ | _ |
| Fonte solide | 4,20 | 0,80 | 1,80 | _ | _ | 0,05 | 0,05 | _ | 93,1 | _ | _ | _ |
| Fe-Mn(75%) | 6 | 2 | 75 | _ | _ | 0,30 | 0,03 | _ | 16,67 | _ | _ | _ |
| Fe-Si (75%) | 0,12 | 75 | 0,40 | _ | 2,50 | 0,04 | 0,03 | _ | 21,91 | _ | _ | _ |
| Fe-Si (45%) | 0,15 | 45 | 0,50 | _ | 1 | 0,03 | 0,02 | _ | 53,30 | _ | _ | _ |
| Si-Mn | 1 | 20 | 66 | _ | _ | 0,08 | 0,05 | _ | 12,87 | _ | _ | _ |
| Al | _ | _ | _ | _ | 98 | _ | _ | _ | 2 | _ | _ | _ |
| Fe-Cr | 4 | 2 | 0,4 | 70 | _ | 0,05 | 0,03 | _ | 23,52 | _ | _ | _ |
| Coke | 80 | _ | _ | _ | _ | _ | 2 | 13 | _ | _ | _ | 5 |
| Si-Ca | _ | 70 | _ | _ | _ | _ | _ | _ | _ | 25 | _ | _ |
| Ti-Al | _ | _ | _ | _ | 35 | _ | _ | _ | _ | _ | 40 | _ |
Composition, destination, exigences aux propriétés mécanique et particularités de la technologie de la production de l’acier de nuance B500 :
Nuance de l’acier B500 (composition chimique) :
La composition chimique de l’acier B500 est représentée dans le tableau n°01
Destination de l’acier B500 :
L’acier de nuance B500, est destiné pour la fabrication des billets, qui sera ensuite utilisé pour obtenir rond a béton.
Préparation du four :
Le lit de fusion est préparé de telle façon que la concentration en carbone soit au minimum de 0,4% pour un bon travail du bain.
Le laitier de la période de fusion est formé grâce à l’addition de chaux (25 Kg/t), de minerai de fer (10 Kg/t) et de spath-fluor (8 Kg/t) ou de chamotte (7 Kg/t). L’état final de la fusion est intensifié grâce au chauffage d’oxygène pour la fusion finale de morceaux de ferrailles à la périphérie et l’élévation de la température du métal. A la fin de la période de fusion, on décrasse de 70 à 80% du laitier et on forme un nouveau laitier en additionnant de la chaux (9,028 Kg/t) et du spath-fluor (0,058 Kg/t) et on étame la période oxydante.
L’oxydation du carbone se déroule grâce à l’addition de minerai de fer on soufflage d’oxygène on grâce à l’utilisation des deux. La vitesse d’oxydation est de 0,3 à 0,5 % de carbone par heure. Lors de l’ébullition du bain, on n’oxyde pas moins de 0,4% de carbone, le phosphore s’élimine jusqu’à une concentration inférieure à 0,015%, la concentration du manganèse et du carbone doivent être supérieur à 0,08 + 0,1%.
En même temps avec la formation de laitier de la période réductrice, à l’aide de (X Kg/t) de chaux, (X Kg/t) de spath-fluor, (X Kg/t) de chamotte, on additionne du ferro-manganèse pour atteindre la fourchette inférieure de la concentration de cet élément. On désoxyde (par précipitation) le métal en additionnant du Ferro-silicium en morceaux pour avoir 0,15% de silicium (sans pertes au feu).
La désoxydation par diffusion se fait à l’aide de mélange de poudre de coke (déchets d’électrodes), de Ferro-silicium et de chaux. On corrige la composition chimique et la température. A 20 – 40 minutes avant la coulée de l’acier avec une concentration du 0,25% de silicium, avec un laitier blanc, on procède à la désoxydation finale à l’aide d’aluminium (environ 0,6%), par la suite on corrige la concentration en silicium.
Dans les mélanges déjà cités (mélanges de poudre), pour le traitement du laitier de coulée, on additionne 0,5 Kg/t de poudre d’aluminium et de spath-fluor si nécessaire.
La coulée de l’acier s’accompagne d’un traitement du métal en poche à l’aide de laitier synthétique très fluide, hautement basique (50+55% de CaO) et pas plus de 0,5% de FeO.
Calcul du lit de fusion :
Période de fusion et d’oxydation :
La composition de la charge est déterminée avant tout en partant de la concentration de carbone dans cette charge.
La concentration de carbone dans la charge [C] ch (et dans le métal avec la fusion) doit favoriser une oxydation lors de la période d’ébullition de pas moins de 0,4% de carbone.
(∆[C] = 0,5%) et doit-être égale à :
- ch +∆[C] + [C]fe = concentration du carbone après l’ébullition du métal. Ou :[C]fe- Concentration du carbone après l’ébullition du métal.
Pour compenser la carburation du métal à partir des électrodes la concentration du carbone, dans l’acier à la fin d’ébullition ([C]fe) doit-être de 0, 3-0, 5/ supérieure à la fourchette inférieure dans la nuance ([C]fi = carbone de la fourchette inférieur), mais au maximum de 0,1%.
Lors du calcul du lit de fusion (calcul de la concentration du carbone de départ), il faut tenir aussi compte des ferro-alliages riches en carbone qui peuvent apporter du carbone ([C]fa = 0,1% = carbone apporté par les ferro-alliages), dans ce cas :
[C]fe = 0,1% = carbone apporté par les ferro-alliages), dans ce cas : [C]fe = [C]fi + (0,3 + 0,5) -[C]fe.
[C]fe = 0,2 – 0,04 – 0,1 = 0,06= [C]fe.
Pour l’acier B500 et en tenant compte du fait qu’à la fin de la période oxydante, il reste dans l’acier 0,01% de manganèse avec l’addition de ferro-manganèse (à 75% de Mn) et du ferro- chrome (à 70% de cr). Pour obtenir l’acier final (Mn)Moy-0.01= 0,66- 0,01 = 0,65%). Pour 0,01% de manganèse résiduel, on additionne :
GFe-Mn= 98. (1,250- 0,01) / (0,75. 0,85. 100) = 1,906 Kg.
Et (Crmoy – 0,02080 = 0,575- 0,0208 = 0,5542%) en additionnant :
GFe-Cr = 98. (0,575- 0,008) / (0,7. 0,92. 100) = 0,863Kg.
Les ferro-alliages apportent 0,1% de carbone. Dans ce cas :
[C]ch = [C]fi – (0,03 + 0,05) – [C]fa + ∆[C]. = 0,19 -0,04 – 0,1 + 0,5 = 0,53 Kg.
La quantité de fonte nécessaire (X) dans la charge est déterminée par l’équation suivante : [C]ch = [C]fonte. X/100 + [C]ferrailles. (100-X)/100.
Donc : 0,53 = 4,2. X/100 + 0,4(100-X)/100, 0,53 – 0.4 = 0,038 X => X = 3.42 Kg.
Donc la composition chimique de la charge adoptée sera présentée dans le tableau suivant :
| Tableaux IV.4 : la composition chimique de la charge adoptée | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Quantité adoptée Kg/% | C | Si | Mn | Cr | P | S |
| Ferrailles : 96,58 | 0,39 | 0,29 | 0,347 | 0,033 | 0,04829 | 0,04829 |
| Fonte : 3,42 | 0,14 | 0,027 | 0,06 | – | 0,00171 | 0,00171 |
| Total : 100 | 0,53 | 0,317 | 0,407 | 0,033 | 0,050 | 0,050 |
La température de fusion du fer avec l’addition d’autres éléments diminue et elle peut être calculée selon :
Tf = 1539- 90. C – 6,2Si – 1,7Mn – 1,8Cr – 2,9Ni – 1,7Mo – 1,3V – 1,7Ti…..(C°)
La température du métal avant la coulée de l’acier B500 est égal à : Tc = Tf + ∆Tm + ∆Tp.
Ou : ∆Tm : diminution de la température lors de la coulée et du maintien de l’acier dans la poche (30 – 50°C)
∆Tp : dépend du revêtement de l’épaisseur des lingots leur masse et la nuance de l’acier, et varie de 80 à 110 °C.
Lors de la fusion de l’acier B500, la température à la fin de fusion (T1) doit être égale à :
T1 = 1539 – 90. C + (50+70°C) T1= 1539- 90. 0,53 + 60°C = 1539,6°C.
A la fin de la période d’ébullition, elle est de : (T2)
T2=Tc + (20 + 30°C) = 1539 – (30 + 50°C) + (80 + 110°C) + (20 + 30°C).
En calculant Tf = 1477 + 40 + 95 = 1612°C. Et finalement on aura : T2 = 1612 + 25 = 1637°C.
1. La somme des concentrations d’oxyde de fer dans le laitier oxydant
La somme des concentrations d’oxyde de fer dans le laitier oxydant dépend en général de la concentration de carbone dans le métal, et peut être déterminée par l’équation :
% (FeO) = 7,5 + 0,755% [C] % (FeO) = 7,5 + 0,755/0,66 = 8,64%.
Dans notre cas, la somme des oxydes (ou bien des concentrations des oxydes) de fer dans le laitier à la fin de la période de fusion (à [C] ch = 0,99%) est égale à :
% (FeO) = 7,5 + 0,755/0,99 = 8,26%. A la fin de la période d’ébullition elle sera : % (FeO) = 7,5 + 0,755%/ [C]fe. On [C]fe : est la concentration du carbone de fin d’ébullition.
Donc : % (FeO) = 7,5 + 0,755%/ 0,53 = 9,04%.
2. Au moment de la fusion totale de la charge
Au moment de la fusion totale de la charge, le silicium s’oxyde totalement. En ce qui concerne le manganèse, à une concentration de 0,458% dans la charge, il s’oxyde de 60 à 70%. Sa concentration dans le métal, lors de la période de fusion est déterminée par la température du bain, et pour un chauffage normal du bain, la concentration du manganèse sera d’environ : (70% s’oxyde, qui est de 0,3206%).
3. L’un des buts les plus essentiels de la période d’oxydation
L’un des buts les plus essentiels de la période d’oxydation est la déphosphoration du métal.
4. La dépendance du coefficient de partage du phosphore
La dépendance du coefficient de partage du phosphore entre le métal et le laitier en fonction de la concentration des oxydes de fer dans le laitier et sa basicité à 600°C est la suivante :
[img_1]
Source : Figure IV.1: La dépendance du coefficient de partage.
En fonction de la basicité du laitier et de la concentration des oxydes de fer dans ce dernier à 1600°C (les chiffres au-dessus des courbes basicités du laitier).
Si la température du processus est différente de 1600°C, il faut corriger la valeur de : LogF =Log{(P2O5) /[P]²}.
A une température plus petite que 1600°C, sa valeur augmente de 0,05 pour 10°C et au contraire.
La valeur : FB, pour calculer la basicité ‘B’, est déterminée selon la formule : B = 2,4 : LogF = 11,448 + 0,0642% [C]- t/200.
B = 1,75 : LogF = 11,125 + 0,0629%[C]- t/200. B = 0,87 : LogF = 9,290 + 0,0795% [C]- t/200. B = 1,23 : LogF = 10,413 + 0,0657% [C]- t/200.
Où : t est la température du métal, (°C)
Pour la formation d’un laitier basique de la période de fusion, lors du chargement ou lors de la fusion, on additionne 2,5% de chaux, 0,7% de chamotte et 1% de minerai de fer. Ainsi le silicium de la charge, de la chaux, de la chamotte et du minerai de fer oxydé lors de la période de fusion, donne :
SiO2tot = SiO2(charge) + SiO2(chaux) + SiO2(chamotte) + SiO2(minerai de fer) = 1,278 Kg.
A 20% de SiO2, la quantité de laitier (U1) sera égale à :
U1 = SiO2(totale). 100/20 = 1,278. 100/20 = 6,39.
La concentration résiduelle du phosphore dans le métal à la fin de la période de fusion [P]1 est déterminée par l’équation :
[P]2 + 229. [P] /2F . U – 229 [P]ch /2F .U ; 1 1 1 1 1 1
Où : [P]ch = 0,05% (phosphore de la charge)
En supposant que la basicité de la période d’oxydation : (CaO)/(SiO2) = 1,75, avec la somme des oxydes de fer %(FeO) est égale à 8,64/, selon la figure, on trouve :
LogF = 3,23 et en tenant compte de l’influence de la température, on trouve : LogF1= 3,42 ; d’où F1= 2632.
Donc on peut avoir :
[P]²1 + 229. [P]1/2F1. U1 = 229. [P]ch /2F1. U1.
[P]²1 + 229. [P]1/2. 2632. 6,39 = 229. 0,05/ 2. 2632. 6,39. [P]1 = -229/33638 + [(229/33638) ² + 229.0,05/33638]1/2
[P]1 = 0,013%.
A la fin de la fusion, on élimine environ 95% du laitier.
A la fin de la fusion, on élimine environ 95% du laitier. La quantité de phosphore restante dans le four est égale à :
Poxydé 100% X ………………….5% Donc : X = 0,00065%
C’est-à-dire : la concentration résidu elle du phosphore dans le métal, lorsque la réduction est entamée, est égale à : [P]résiduel= [P]1 + [P]restant (5%) = 0,013 + 0,002 = 0,015%.
La quantité supplémentaire de l’acier (U2), nécessaire pour atteindre le degré exigé de phosphore du métal est déterminé par la formule :
U2 = 229. ([P]1 – [P]2)/ F2. [P] 22 .
Si des exigences concernant une déphosphoration encor plus poussée ne sont pas posées, la période oxydante est stoppée à une concentration du phosphore dans le métal égale à 0,008%.
On considère la basicité du deuxième laitier égale à 2,4, à la somme des oxydes de fer (FeO)2 égales à 12% (d’après la figure), dans ce cas, selon la figure on aura :
LogF = 3,85. Tenant compte de l’influence de la température on obtient : LogF2 = 3,95 d’O2 : F2 = 8912.
Donc U2 sera :
U2 = 229. (0,015 – 0,008) / 8912. (0,008) ² = 2,81 Kg, (%).
La quantité totale du laitier (U0) nécessaire pour une déphosphoration exigée est égale à :
U0 = U1 + U2 = 6,39 + 2,81 = 9,20 Kg.
En déterminant les régimes de déphosphoration du métal, il faut calculer la quantité de chaux nécessaire pour la formation du laitier oxydant.
La concentration de CaO dans le laitier de la période de fusion à 20% de SiO2 et (CaO) / (SiO2) = 1,75 doit-être égale à : %(CaO) = %(SiO2). 1,75 = 35%.
La quantité de chaux (Z1) utilisés dans ce cas (la chaux contient 92% de CaO) est déterminée par la formule :
U 1. 35/100 = Z1. 92/100 ; Z1 = U 1. 35/92 = 2,43 Kg.
Dans le laitier de période oxydante à 20% de SiO2 et (CaO) / (SiO2) = 2,4, on obtient : %(CaO) = 20. 2,4 = 48%.
En tenant compte de (CaO) dans le laitier restant après la période de fusion(5%), la quantité de chaux additionnée (Z2) pour la formation du deuxième laitier est égale à :
U2. 48/100 – U2. 35/100. 5/100 = Z2. 92/100
Donc : 0,48 U2 – 0,0175 U1 = 0,92 Z2, d’où Z2 = 1,24 Kg/100 Kg de charge.
La masse principale du soufre éliminée, passe dans le métal vers le laitier. Si on néglige la possibilité d’élimination du soufre sous une forme gazeuse, dans ce cas les variations de la concentration du soufre dans le métal et dans le laitier, dans n’importe quelle période de fusion, peut être déterminée par l’équation :
Sd +