Les technologies d’élaboration de l’acier liquide

Elaboration des aciers

Elaboration des aciers par AOD VOD four à arc et VIM.

L’élaboration des aciers inoxydables (à teneur en chrome importante) nécessite une étape de fusion (four électrique à arc ou four à induction) suivie d’une étape d’affinage et de métallurgie secondaire (AOD, VOD, …). Ces deux étapes se réalisent en pratique dans des fours différents. Cet article fait le point sur ces différents moyens industriels, leurs avantages et limites respectifs.

Elaboration des aciers par AOD VOD four à arc
Elaboration des aciers par AOD VOD four à arc.

Les procédés pour l’étape de fusion

Deux types de moyens de fusion sont utilisés ; les fours à arc (EAF pour Electric Arc Furnace) et des fours à induction. Les fours à induction offrent une grande souplesse d’utilisation et une facilité à régler la température, ils sont définis par la fréquence du courant électrique utilisée (de 50 à 10 000 Hz), la puissance utilisée (jusqu’à 1,2 MW/t) et par la capacité (de quelques kilos à vingtaine de tonnes). Cependant, ils sont considérés comme de simples engins de fusion puisqu’ils ne permettent pas de réaliser les opérations d’affinage. Le four à arc est, quant-à-lui, destiné à la fusion de gros volumes de quelques tonnes jusqu’à une centaine de tonnes. Le four à arc est un engin de fusion et de pré-affinage destiné à alimenter les installations de métallurgie secondaire. Les principales opérations métallurgiques réalisables dans un four à arc sont la déphosphoration, la décarburation, la désulfuration, le calmage et la mise en nuance.

Les charges métalliques des fours à arc et des fours à induction

La charge métallique constitue l’un des postes de dépenses les plus importants dans le coût global d’une élaboration. Le four à arc présente l’avantage de pouvoir consommer pratiquement toutes les qualités de ferrailles et de ferroalliages et de permettre l’enfournement de matières premières de grandes dimensions. Par contre, les électrodes sont un consommable. Le four à induction nécessite par contre des ferrailles nobles (et plus coûteuses). L’analyse finale est obtenue à partir du lit de fusion et des pertes au feu. Il faut avoir une surveillance stricte sur les matières premières (exemptes d’humidité pour limiter les teneurs en gaz). De plus, la dimension des charges est limitée et elles doivent être assez denses pour assurer un bon couplage électromagnétique. Enfin, une fusion de lavage est obligatoire à chaque changement de nuance.

L’impact environnemental des fours à arc et des fours à induction

Les fours à arc nécessitent des systèmes de dépollution et de traitement des rejets (frais supplémentaires importants au niveau de l’investissement), et occasionnent des nuisances sonores. Cependant, ils conduisent à une meilleure qualité métallurgique (teneur en éléments résiduels en gaz, propreté micrographique, caractéristiques mécaniques). De leur côté, les fours à induction ont des faibles émissions de fumées polluantes et une quasi-absence de pollution sonore ou gazeuse. Par contre, la surface des bains est plus froide, ce qui peut induire un risque de croutage. D’un autre côté, il faut éviter les surchauffes qui provoquent l’usure rapide des garnissages.

Opérations métallurgiques au four à arc et au four à induction

Les fours à arc requièrent un garnissage du four adapté. Ainsi, la déphosphoration et la désulfuration ne peuvent être réalisées que dans un four équipé d’un garnissage basique. Pour les aciers inoxydables, compte tenu des équilibres thermodynamiques chrome-carbone-oxygène, l’obtention de basses teneurs en carbone est assez délicate et onéreuse. Pour les fours à induction, la réalisation des opérations métallurgiques, telles que la décarburation ou brassage métal/laitier, reste difficile à réaliser puisque d’une part, le laitier étant un mauvais conducteur électrique est inefficace, et d’autre part, les conditions hydrodynamiques pilotées par le rapport surface/ hauteur sont défavorables. Néanmoins, le brassage électromagnétique du bain liquide permet une homogénéité thermique et chimique.

Les fours à induction offrent la possibilité d’élaborer des aciers avec des compositions chimiques précises avec des faibles teneurs en gaz (H, N) dans la mesure où la charge soigneusement choisie est peu polluée et la durée de l’élaboration reste courte. En dehors de l’utilisation du vide ou de brassages par gaz neutres, il n’existe pas de méthode industrielle efficace pour diminuer la teneur en hydrogène. Des additions peuvent être faites en fin d’élaboration et/ou lors de la coulée en poche. Ainsi, on a la possibilité de faire précipiter l’azote sous forme de nitrures solides en ajoutant des additions de titane ou de zirconium et la teneur en oxygène peut être maîtriser par addition d’éléments réducteurs (aluminium, silico-calcium).

Le four à induction sous vide

Il existe deux types de moyens : les fours de fusion sous vide (et coulée à l’atmosphère) et les fours de fusion et de coulée sous vide. Le four à induction sous vide ou VIM (Induced Vacuum Melting) permet le dégazage du bain, l’activation de certaines réactions et l’absence d’altération par l’atmosphère conduit à une grande régularité de composition. Leurs performances ainsi que leurs coûts sont comparables à ceux des fours classiques. Ces fours sont utilisés pour l’élaboration d’aciers spéciaux de haute qualité : aciers inoxydables, aciers réfractaires à très basse teneur en carbone. Les fours à induction à fusion et coulée sous vide sont essentiellement utilisés pour l’élaboration des superalliages qui fonctionnent sous d’importantes contraintes mécaniques et thermiques : des bases fer ou nickel et des alliages spéciaux avec des éléments facilement oxydables (Ti, Al, B,…) et les teneurs en gaz dissous (O, H, N) sont impérativement limitées à quelques ppm ou quelques dizaines de ppm. Ce procédé de fusion est le seul procédé fiable capable d’assurer la production de tels alliages. Cependant, l’investissement est élevé et la capacité limitée à quelques tonnes.

Les différents procédés pour l’affinage des aciers

Au travers le monde, on utilise différents procédés pour l’affinage des aciers : l’AOD (Argon Oxygen Decarburization), le VOD (Vaccum Oxygen Decarburization), le CLU (Creusot-Loire-Udeholm) et enfin le K-OBM-S (Kawasaki-Oxygen Botttom Machutte-Stainless). Dans le procédé CLU, le mélange argon-oxygène est partiellement remplacé par un mélange composé de vapeur d’eau surchauffée et d’oxygène pendant la phase de décarburation. Dans le bain, la vapeur d’eau est décomposée en hydrogène et en oxygène. L’hydrogène gazeux diminue la pression de CO. La technologie générale du convertisseur K-OBM-S est proche de celle du convertisseur CLU. Elle se caractérise par des tuyères implantées dans le fond de l’appareil qui sont orientées de bas en haut.

Le procédé AOD (Argon Oxygen Decarburization)

Procédé AOD.
Procédé AOD pour la métallurgie secondaire des aciers.

Le procédé AOD comporte une phase de décarburation qui consiste à injecter de l’oxygène pur pour atteindre la teneur en carbone souhaitée (C ≈ 0,02 %) suivi d’une phase de réduction par ajout d’une certaine quantité de ferrosilicium et enfin d’une phase de désulfuration avec utilisation d’un laitier riche en chaux qui permet d’éliminer le soufre du bain liquide par formation de sulfure de calcium (couramment 0,015 % voire 0,010 %).

Pour les aciers riches en chrome, l’injection d’oxygène pur à la pression atmosphérique peut amener une oxydation importante du chrome. On peut réduire la pression partielle du CO formé par dilution à l’aide d’un gaz neutre (argon ou azote moins coûteux avec une légère nitruration). Un brassage violent à l’argon a l’avantage d’accélérer les cinétiques de réactions chimique et d’abaisser les teneurs en gaz dissous (azote environ 60 ppm; oxygène 20 à 50 ppm et hydrogène < 3 ppm) et autres résiduels. Idéalement, le four AOD doit avoir un mode de fonctionnement en continue pour éviter les chocs thermiques. La capacité courante des AOD est de 110 à 120 tonnes (avec le plus gros convertisseur à 160 tonnes). Le temps total d’affinage est généralement inférieur à 90 min pour les nuances courantes (ferritiques et austénitiques).

Le procédé VOD (Vaccum Oxygen Decarburization)

Le procédé VOD.
Le procédé VOD Vaccum Oxygen Decarburization.

Globalement, le VOD comporte les mêmes phases que l’AOD (la diminution de la pression partielle de CO est assurée par la mise sous vide de la poche de traitement). Le VOD permet l’élaboration des aciers inoxydables à très basses teneurs en carbone (C < 0,010 %), à très basses teneurs en soufre et gaz (S < 0,002 %, O<0,04%) et conduit à une grande pureté inclusionnaire du métal, obtenue grâce au violent brassage provoqué par la décarburation, le vide et les laitiers adaptés.

L’obtention de très basses teneurs en carbone, soufre et azote en font un procédé adapté aux nuances ferritiques à haute teneur en chrome (Cr de 30%), aux nuances austéno-férritique (duplex) et à certaines nuances super-austénitiques. La consommation moyenne estimée en laitier et réducteur est fortement réduite (environ 16 kg de FeSi75/t en AOD à 4 kg/t en VOD, 60 kg de CaO/t en AOD à 14 kg/t en VOD et 10 kg de CaF2/t en AOD à 2 kg/t en VOD) ainsi que la consommation de gaz (environ 20 Nm3 O2/t en AOD à 10 20 Nm3 en VOD). Cependant, pour la majorité des aciers inoxydables, les performances technico-économiques du VOD sont moins intéressantes que l’AOD. La capacité de l’une des plus grosses installations VOD actuellement en service est de l’ordre de 100 tonnes. Ainsi à Taïwan, une aciérie équipée de deux unités VOD de 100 tonnes peut produire environ 800 000 tonnes d’acier inoxydable par an.

AOD et VOD
Performances comparées entre AOD et VOD pour aciers inoxydables.

Comparatif des différents moyens de fusion

Comparatif AOD et VOD.
Comparatif des modes d’élaboration teneur en O N et H.

Les moyens de fusion et d’élaboration permettent d’obtenir des teneurs différentes en oxygène, hydrogène ou azote dans l’acier élaboré. Les teneurs les plus basses sont obtenues suite à la fusion sous vide.

Teneur en carbone, soufre et azote fonction du moyen d’élaboration

Teneur carbone AOD et VOD
Evolution de la teneur en carbone entre AOD et VOD.

Des teneurs en carbone de 0,020% voire de 0,010% sont réalisables en AOD pour les teneurs en chrome habituelles (entre 12 et 18%). Avec le procédé VOD, des valeurs plus faibles peuvent être atteintes (<0,01%). Cette faculté présente un réel intérêt pour les aciers inoxydables à hautes teneurs en chrome (Cr 30%) et pour certaines nuances austénoferritiques. La phase de désulfuration permet d’atteindre des teneurs de 0.015% voire 0.010% de soufre pour le procédé AOD et des teneurs inférieur à 0.002% pour le procédé VOD.

Malgré que le VOD soit un procédé bien adapté à certaines nuances, il présente des performances technico-économiques moins intéressantes que celles du procédé AOD pour la majorité des aciers inoxydables. En effet, il est nécessaire de partir d’un bain liquide ayant une faible teneur initiale en carbone (C ≈ 0.5%) pour réaliser un temps d’affinage comparable à celui du procédé AOD en partant d’une teneur initiale en carbone de 1.5%.

Le choix du moyen de fusion et d’élaboration

Le choix du moyen de fusion et d’élaboration doit se faire en particulier sur la qualité de l’acier attendue (teneur résiduelle en carbone, soufre et oxygène, …). Si le four à induction ou le four à arc sont des moyens très usités, ils ne permettent pas par exemple d’atteindre des bas niveaux d’oxygène (< 50 ppm) qui nécessiteront le recours à un AOD ou à un four sous vide.

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