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Oxydation des bains d'acier liquide en fonderie.

L’oxydation des bains d’acier liquide est provoquée par plusieurs mécanismes lors des différentes étapes du procédé : lors du transvasement (du four vers une poche de coulée), par contact avec l’atmosphère oxydante de l’air ambiant, par une réaction avec le réfractaire du four et enfin par une réaction métal /laitier en surface de bain. Cette réoxydation du bain d’acier liquide peut affecter fortement la santé matière et les propriétés mécaniques des pièces réalisées.

Réoxydation lors du transvasement du métal liquide

L’oxydation de l’acier liquide peut se faire lors du transvasement du bain d’un four d’élaboration vers une poche de coulée par exemple. Les mécanismes de réoxydation lors des transvasements sont liés à l’absorption de l’air par la surface du jet et à la possibilité d’entrainement d’air dans le métal. Certaines études ont pu estimer la réoxydation de l’acier liquide (cas d’une poche de 100 tonnes) à la coulée poche-répartiteur pour différentes conditions opératoires de transvasement (vitesse de transvasement, hauteur du jet). On constate que la reprise en oxygène est proportionnelle à la hauteur du jet et inversement proportionnelle au débit d’acier liquide. On peut ainsi estimer qu’il y a reprise de 120 ppm d’oxygène pour une poche de 100 tonnes d’acier transvasée avec un débit de 1.9 t/min d’une hauteur de 90 cm.

En se basant sur ces données, des taux de reprises d’oxygène sont présentés dans le tableau qui suit en fonction des temps de transvasement. La figure ci-dessus montre l’évolution du taux d’oxygène de la fusion jusqu’au coulée mettant en évidence l’évolution de la température et la réoxydation de l’acier à l’étape de coulée.

Contact du bain avec l’atmosphère oxydante

Le contact du bain avec l’atmosphère oxydante conduit à une absorption rapide de l’oxygène à la surface de l’acier avec une formation d’une couche d’oxyde. Il a été démontré, à partir d’essais réalisés avec de l’oxygène pur à la pression atmosphérique, qu’il est possible de fixer 20 cm³ d’oxygène par 20 cm² d’interface atmosphère/métal avec une absorption de l’ordre de 100 cm³/cm². La cinétique de réoxydation est par la suite limitée par la couche d’oxyde formée et la diffusion de l’oxygène. La réoxydation du bain liquide va impliquer des modifications en teneurs des éléments chimiques. L’évolution de la composition du bain d’acier liquide, notamment les teneurs en Al, Mn, Si et O, en fonction du temps lors d’une réoxydation continue à l’aide d’un mélange Argon-O2 contenant 20% d’oxygène est illustrée par la figure ci-dessus.

On observe une forte augmentation des teneurs d’oxygène et une baisse des teneurs en Al, Mn, Si dans l’acier liquide (tableau ci-dessous).

Réoxydation par un réfractaire

La propreté du métal sera également affectée par la nature du réfractaire utilisé pour la poche de transfert. Le choix d’un réfractaire va dépendre de la nuance à élaborer. Le matériau constituant le garnissage doit être au moins aussi stable que l’oxyde formé lors de la désoxydation. Pour le manganèse en particulier, ces effets d’attaque des réfractaires sont déjà sensibles au-delà de 1 % et plus prononcés pour les aciers austénitiques à 14 et 19 % Mn. On utilise alors des réfractaires silico-alumineux à forte teneur en alumine, des revêtements en magnésie, ou, pour les pièces les plus exposées à l’érosion, la zircone ou l’alumine. Les désoxydants aluminium et calcium de l’acier liquide attaquent les revêtements réfractaires de la poche, libérant ainsi des éléments chimiques qui s’intègrent aux inclusions existantes et modifient leurs propriétés.

Les réfractaires industriels sont la magnésie MgO, SiO2 : 3%, la Dolomie MgO : 40 %, CaO : 50 %, la bauxite Al2O3 : 80 %, SiO2 : 10 %, le chrome-magnésie MgO, Cr2O3 : 20 % et enfin la zircone ZrO2: 50 %, SiO2 (+ Al Ti Fe). Ces trois derniers réfractaires, contenant du SiO2 et surtout du Cr2O3 et du Zr2O3 , sont facilement attaqués par les désoxydants forts et libèrent ainsi de l’oxygène qui a son tour donne des inclusions oxydées. Les réfractaires acides Si, Zr, Cr jouent le rôle de réservoir d’oxygène et compromettent l’obtention d’acier à très bas oxygène. Comme pour les basses teneurs en O, l’obtention de basses teneurs en S exclut la réoxydation du bain par les réfractaires ; puisque la réaction MeO + S –> MeS + O est favorisée par les désoxydants, le calcium par exemple.

Variation de l’activité en oxygène

La variation de l’activité en oxygène en fonction des différents éléments en solution permet de prévoir les réactions susceptibles de se produire entre la phase métallique et une phase oxydée. Ainsi, un acier désoxydé à l’aluminium peut réduire un revêtement à base de SiO2 alors qu’un acier traité au calcium attaque un réfractaire en alumine. La vitesse de corrosion d’un réfractaire par un acier varie sensiblement. La quantité d’oxygène qui participe à la réaction de réoxydation dépend en particulier de la composition des phases en présence, de l’état de surface du réfractaire et de la nature des oxydes qui se forment à l’interface (oxydes solides ou oxydes liquides plus ou moins fluides dont une fraction pourra être entraînée dans le bain).

Les réactions métal / laitier

L’importance des réactions métal/laitier en métallurgie secondaire est bien établie à travers les réactions volontaires pour désulfurer l’acier, pour abaisser les teneurs en phosphore et en oxygène dans certains cas et pour contrôler la morphologie des inclusions résiduelles. Cependant, la composition du laitier et par conséquent, ses propriétés métallurgiques peuvent être modifiées au cours du temps par l’atmosphère et par la corrosion des réfractaires. Le laitier peut ainsi être une source de réoxydation par deux mécanismes ; la réduction du laitier par l’acier liquide et l’entraînement mécanique au sein du métal liquide. Pour garantir les niveaux bas en oxygène, il faut de faibles potentiels d’oxygène dans le laitier. Il est important de réaliser des mesures de réoxydation se produisant dans le métal liquide à l’aide de mesure de la température et de suivi de la composition du bain au cours du temps (oxygène et teneur en désoxydant). L’abaissement de la température pendant le transfert peut conduire à une consommation de désoxydant par précipitation d’inclusions oxydées.

Cinétique de réoxydation du métal liquide par un laitier oxydé

Quand un laitier contenant des teneurs en FeO et MnO élevées est en contact avec un acier calmé, à l’aluminium par exemple, le laitier va subir une réduction. Une diminution de la teneur en aluminium va ainsi se produire accompagnée d’une augmentation de sa teneur en oxygène. Une variation des concentrations à l’interface laitier/métal peut être observée (figure ci-dessus). L’influence de la teneur en FeO dans le laitier sur la teneur en oxygène total dans le métal est donnée par la figure ci-dessous (issue de résultats industriels). Il a été mentionné également que dans le cas d’un laitier riche en FeO (quelques pourcents), la réoxydation du métal par l’atmosphère est alors négligeable devant celle du laitier.

L’évolution de la réoxydation cumulée d’un acier calmé à l’aluminium en poche (dans le cas sans brassage) est donnée par la figure ci-dessous. L’oxygène varie sensiblement d’un essai à un autre avec des valeurs comprises entre 0.5 et 1.5 ppm/min. Il a été noté que cette variation ne semble pas être liée au potentiel de l’oxygène dans le métal mais au degré d’oxydation du laitier. L’absence du brassage rend le facteur cinétique relativement faible.

De nombreuses sources de réoxydation

On l’aura compris, il existe de nombreuses causes de ré-oxydation des bains d’acier liquide : lors du transvasement du métal, par réaction avec l’atmosphère oxydante de l’air ambiant, par une réaction avec le réfractaire du four et enfin par une réaction métal /laitier en surface de bain. La maîtrise de la teneur en oxygène suppose de piloter finement l’ensemble de la gamme de fabrication.