P2 cours fa 2013 a

Ecole Polytechnique de Tunisie

Module : procédés II - partie 2

Elaboration de l’acier
au four à arcs

Année universitaire 2012 - 2013

Plan de la deuxième partie

I- HISTORIQUE
II- PRINCIPE
III- CONSTRUCTION DES FOURS A ARC
IV- CLASSIFICATION DES FOURS A ARCS
V- CARACTÉRISTIQUES ÉLECTRIQUES DES FA
VI- CARACTÉRISTIQUES ET TYPES DE PROCÉDÉS FA
VII- ÉLABORATION DE L’ACIER AU FA

Elaboration de l’acier au four à arcs - Fathi CHTIOUI - 2013
2

Historique des fours à arcs
1900 Four d’HEROULT, France et USA
Four de 2500 Kg, courant continu, 110 V, 4000 A
Jusqu’à 1939 Réservés aux aciers de qualité et aux aciers spéciaux
Capacité max : 40 tonnes - Puissance max : 10 MVA
1950 Progrès technologiques (suite à la 2ème guerre mondiale)
Capacité : 150-170 tonnes (Diamètre : 7200) - P : 36-40 MVA
1953 Apparition des « minimills » ( EAF -CNC –L)

1960 FOUR A ARCS -COULÉE CONTINUE – LAMINOIR
Breschia, Italie
Années ’ 70 FOURS UHP, Pspécifique : 500 KVA/Tonne

1975 Pspécifique élevée : 700-800 KVA/Tonne
Intensification du process par l’emploi de brûleurs oxyfuel
Cuve et voûte à panneaux refroidis
à partir de 1980 Unité compacte ( EAF-CCC– FOUR POCHE)

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Principe du four à arcs

Energie électrique

Ferrailles Acier
C :% ex : 0,4 %
Mn : % 1,1 %
Si : % 0,3 %
S :% 0,04 %
P : % 0,04 %
Ni : %
Cr : %
Cu : %
…
+ Coke + laitier
+ CaO ou Castine + gaz et poussières
+ FeMn ou SiMn
+ Al

La composition chimique de la charge est très variable
4

Le bilan énergétique pour un four à arc utilisant des
ferrailles comme matière première et dont l'acier produit
est coulé à 1620°C.

La répartition des énergies fournies au four est fonction
de différents paramètres tels que la nature des matières
premières et le coût des énergies.

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Pertes thermiques

Période de Période
fusion d’affinage
Revêtement acide Al2O3 15 KW/m2 25 KW/m2
Revêtement basique (MgO) 40 KW/m2 70 KW/m2

P anneaux refroidis (WCP) 100-200 KW/m2

-Energie utile : 350 KWH/tonne de ferrailles
(pour une coulée de 18 tonnes à 1640 C)

- Consommation d’énergie (KWH)  0,21 x t x ΔT + Pertes

6

autres CF
13%
Charge métallique
amortissements
35%
4%

quote-part CC
16%

Additions
Eléctricité
6%
14%
Réfractaires
pièces 4%
électrodes
1%
7%

Composantes du coût de revient d'une
tonne de billettes FE - 1997 (258 Dinars)

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Schéma d’un four à arcs
(Techniques de l’ingénieur)

8

four à arc à courant alternatif

Compensateur de
puissance réactive

9

Construction des fours à arcs
Faible et moyenne puissance
Puissance HP : haute puissance
UHP : ultra haute puissance
Nombre de phases Monophasé
Triphasé
Courant Alternatif
Continu
Voûte Fixe
Pivotante
Trou de coulée Canal de coulée
Trou excentré (système à tiroir)
Garnissage 100 % réfractaires
WCP (panneaux refroidis)
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Classification des fours à arcs

L’IISI (International Iron and Steel Institute) classe les fours à arcs
en fonction de leur puissance spécifique Psp.

Psp = PTnom / M

Avec Psp : Puissance spécifique (KVA/tonne)
Pnom : Puissance nominale du transformateur (en KVA)
M : Masse de coulée (en tonnes)

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Classification des fours à arcs (2)

On distingue trois classes de fours à arcs en fonction de la
puissance spécifique (Psp) :

Classe Psp (EAF
ELFOULADH)
(KVA/tonne)

Moyenne Puissance (RP) < 399 390 (1977)

Haute Puissance (HP) 400 – 699 600 (1994)

Ultra Haute Puissance (UHP) > 700 820 (2007)

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Caractéristiques des fours à arcs

• Caractère instable de l’arc électrique

• Courants déséquilibrés sur les 3 phases :

- l’onde est différente d’une sinusoïde (production d’harmoniques
et variation brusque d’intensité de courant)
- variation rapide de la tension
- composition spectrale de fréquences (0,5-25Hz)
- Papillotement de la lumière (FLIKER : phénomène plus marqué
lorsque la puissance de court-circuit du four est élevée).

• Le Four à arcs est un gros consommateur d’énergie réactive

• Compensation : équilibrage des puissances réactives des réseaux
Principe : Créer des U de même amplitude mais en opposition de phase.
La puissance réactive moyenne est fournie par les condensateurs.

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L’ ARC ELECTRIQUE

- Siège de la transformation de l’énergie électrique en chaleur.

- Milieu réactionnel où plusieurs réactions se produisent :
• Ionisation
• Dissociation
• Radicalaire (photochimique)
•…

- Plasma chimique caractérisé par une température très élevée
(déterminable par calcul) .

14

Plasma chimique

Plasma chimique : 4ème état de la matière
15

L’ ARC ELECTRIQUE

Principe
- Le champ électrique entre l’électrode et la ferraille anime les
entités chimiques présentes de mouvement à très grande vitesse

- Les entités entrent en collision les unes contre les autres et
libèrent beaucoup de chaleur (énergie cinétique = ½ mv2).

- La quantité totale de chaleur = la sommation de toutes les
énergies de collisions + autres formes de chaleur dégagées
(réactions chimiques, photochimiques).

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Types de process FA

On distingue deux principaux process :

«Procédé d’oxydation totale» (FULL OXIDATION PROCESS) :
- Process utilisé pour l’élaboration des aciers ordinaires.

- composition chimique moyenne de la charge aléatoire
(la composition chimique du bain ne peut être connue à l’avance).

Procédé de refusion (REMLTING PROCESS) :
- Process utilisé pour l’élaboration des aciers alliés

- Les compositions chimiques des différentes catégories de ferrailles
sont connues (ce qui permet de calculer la charge de façon à obtenir
un bain de composition chimique proche de celle de la nuance d’acier visée).

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Caractéristiques du process FA (1)

Les fours à arcs offrent une très grande flexibilité
par :

•Une grande diversité des enfournements

• Obtention de n’importe quelle nuance d’acier

• Maîtrise de la température

18

Enfournement par panier à
demi coquilles ouvrantes

19

Les caractéristiques essentielles des matières
premières enfournées dans un four à arc

Ferraille Pré-réduits Fonte

Energie de fusion 650 à 700 850 à 900 Solide : 650 à 700
(sans préchauffage)
(kWH) Liquide: l00
Coût Moyen Moyen Elevé

Qualité Variable Bonne Bonne

Disponibilité Elevée Amérique Russie - Japon
Amérique du
du sud sud
Afrique du sud
Observations Emissions gazeuses Adapté au Décarburation
Eléments résiduels chargement nécessaire
continu

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Caractéristiques du process FA (2)

L’élaboration au four à arcs est caractérisée par :

• Réactions complexes

• Milieu agité

• Milieu chimiquement et thermiquement variable

• Milieu hétérogène (plusieurs phases) :
- Métal liquide
- Ferrailles
- Laitier (souvent lui-même hétérogène)
- Additions (coke , CaO, FeMn,…)
- Garnissage réfractaires
- Oxygène et autres gaz (CO, CO2,…)

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FERRAILLES

 Les ferrailles sont les matières premières des fours à
arcs.

 Elles peuvent être utilisées froides (température ambiante)
ou préchauffées (dans l’objectif d’accélérer sa fusion).

 Les ferrailles peuvent contenir beaucoup polluants
(impuretés et déchets).

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Polluants de la ferraille

On distingue quatre groupes de polluants :

• Produits éliminables

• Produits non éliminables

• Produits volatiles

• La gangue (stériles)

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Exemples de polluants de la ferraille

• Revêtements métalliques : Sn, Pb, Zn…
• Revêtements non métalliques : vernis, peinture ,…
• Association à des matériaux métalliques : Al, Cu
• Association à des matériaux non métalliques : bois, plastiques,…
• Rouille
• Polluants internes
• Contacts salissants : graisse, huile, …
• Corps creux fermés (danger d’explosion)
•Autres : verre, caoutchoux, papier, végétaux,

Techniques de l’ingénieur offre de informations intéressantes sur la classification française des
ferrailles.

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Effets des polluants de la ferraille

Les polluants de la ferrailles ont une incidence sur :

 Le rendement métal

 La consommation d’énergie

 La consommation d’électrodes

 Les caractéristiques de l’acier

 L’environnement

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Calcul de rendement

Quantité de fer de l’acier en poche
 Rendement en Fer 
Quantité de fer enfourné
(Fe ferrailles + Fe ferro-alliages + …)

Quantité d’acier en poche (ou bons lingots)
 Rendement 
Quantité de Ferrailles + Ferro-alliages

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Influence de la teneur en fer des ferrailles sur la quantité
à enfourner en aciérie électrique

Quantité de ferraille pour
1 tonne d’acier

Effet pratique
1500

1350 Effet arithmétique

1250

1000

70 % de fer dans
100 90 80 les ferrailles

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Valeur d’usage des ferrailles en aciérie électrique
en fonction de la teneur en fer et du prix d’une ferraille idéale
(TI -1986)
Valeur d’usage (F/T)
Ferraille idéale à 1000 F = 100 DT
1000 1000 F/T

Sans prendre en compte
700 le temps de four

Avec prise en compte
400 du temps de four

100

0
100 90 80 70 % de fer dans
-100 les ferrailles
-200

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Ferrailles

Evolution du
prix de la
ferraille comme
indicateur du
prix de l'acier

Indice (2001= 100) calculé sur la base des prix moyens € pour les
pays suivants: France, Allemagne, Italie, Espagne, Royaumes-unis.

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Ferrailles

30

Collecte de la ferraille

31

Traitement – stockage

32

Les électrodes (1)

 Le four à arcs utilise des électrodes de graphite de haute pureté.

 Colonne de plusieurs tronçons de graphite raccordés par des
nipples (cylindriques ou biconiques),

 la majorité des ruptures d’électrodes au niveau du nipple .

 Diamètre approprié au four

 3 colonnes (3 phases) décrivant un triangle équilatéral situé au
centre du four.

 Déséquilibre géométrique et / ou électrique des phases peut
conduire au phénomène de phase sauvage.

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Electrodes de graphite Electrodes pré-nipplées

Demi nipple
de transport

34

Nipple biconique

Il existe des nipples cylindriques

35

Fabrication des électrodes

36

Les électrodes (2)

 Les électrodes se consomment par :

• 0xydation

• Usure en pointe (dissolution dans le métal et sublimation)

• Ruptures (casses dues à différentes causes : corps non conducteurs,
chute de ferrailles lourdes en fin de fusion,…)

 La consommation d’électrodes peut être réduite par :
• un traitement d’imprégnation

• phosphatation superficielle

• refroidissement de la colonne d’électrode par film d’eau

• prévention contre les casses (qualité des ferrailles, préparation de la
charge, surveillance des intensités de courant,…)

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Les réfractaires (1)

 Le garnissage de la cuve du four à arcs est basique (dolomie
et/ou magnésie)

 Le garnissage de la voûte est silico-alumineux ou mixte

 Certaines parties peuvent être des panneaux refroidis
(WCP) à l’eau (boites chaudronnées ou serpentins).

 Les différentes sollicitations des réfractaires du four sont :
•Mécaniques : impact des ferrailles
•Thermiques :
•impact de l’arc (rayonnement)
•impact de l’oxygène (en cas de soufflage)
•choc thermique
•Chimiques : action du laitier

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Les réfractaires (2)

Les aciéristes relèvent les profils d’usure des réfractaires
en fin de vie du revêtement (fin de campagne).

Il s’agit de mesurer les épaisseurs restantes pour chaque
zone en vue d’en évaluer la performance.

L’objectif d’une telle pratique est d’apporter des corrections
au niveau :
• des méthodes d’exploitation des réfractaires
• et/ou des choix des matériaux utilisés.

L’aciériste cherche toujours à harmoniser le profil
d’usure du garnissage.

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Evolution historique des réfractaires

Jusqu’en 1950 Après 1950 A partir de 1975
Sôle en dolomie Augmentation des
frittée puissances des fours

Murs en bloc de
Panneaux refroidis
dolomie & Briques Briques MgO-Cr2O3 (65% de la surface des murs)
de Magnésie

Voûte en briques de Briques à haute Panneaux refroidis
silice teneur en Al2O3 (2500-3000 coulées)
et centre réfractaire
(150-200 coulées)

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Propriétés acido-basiques des
réfractaires

Les réfractaires sont des mélanges d’oxydes dans des
proportions variables.

Ils sont caractérisés par une très forte résistance aux
influences chimiques et physiques à haute température.

On distingue trois groupes d’oxydes :

- Les oxydes acides

- Les oxydes basiques

- Les oxydes amphotères

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Oxydes acides

Un oxyde acide se dissout dans l’eau ou réagit
avec l’eau pour donner un excès de H+

Ex : SO3 + H2O H+ + HSO4-
(s) aq) (aq)

P4O10 + 6H2O 4H+ + H2PO4-
(s) (aq) (aq)

42

Les oxydes basiques

Un oxyde basique se dissout dans l’eau ou réagit
avec l’eau pour donner un excès de OH- ( une déficience
de H+)

Ex : Na2O + H2O 2Na+ + 2OH-
(s) (aq) (aq)

BaO + H 2O Ba++ + 2OH-
(s) (aq) (aq)

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Les oxydes amphotères

Un oxyde amphotère se comporte comme un acide lorsqu’il
est en présence d’une base et vice versa.

Ex : Al2O3 + 2(OH)- + 3H2O 2[Al(OH)4]-
(s) (aq) (aq)

Al2O3 est un acide

Al2O3 + 6H+ 2Al3+ + 3H2O
(s) (aq) (aq)

Al2O3 est une base

44

Oxydes insolubles dans l’eau

(Ce qui est insoluble est en fait très peu soluble)

Un oxyde insoluble dans l’eau est une base s’il
réagit avec l’acide et vice versa.
Ex : MnO + 2H+ Mn2+ + H2O
(s) (aq) (aq)

MnO est une base

SiO2 + Na2O Na2 SiO3
(s) (s) (s)
(base forte) (sel soluble)

Na2 SiO3 + H2O 2Na+ + SiO32-
(s) (aq) (aq)

45

Propriétés acido-basiques
de quelques oxydes
Caractère basique
décroissant

Li2O BeO B2O3 CO2 N2O5 F2O

Na2O MgO Al2O3 SiO2 P4O10 SO3 Cl2O7

K2O CaO Ga2O3 GeO2 As2O5 SeO3 Br2O

Rb2O SrO In2O3 SnO2 Sb2O5 TeO3 I2O5

Cs2O BaO Ti2O3 PbO2 Bi2O5

Oxydes Caractère acide croissant
Amphotères
46

Classification des oxydes
(Source : MAHAN, université de Californie)

Les oxydes basiques et amphotères sont des produits
d’oxydation des métaux tels que Mg, Ca, Fe, Mn, Al, Cr.

Les oxydes acides sont des produits d’oxydation des non-
métaux tels que Si, P, S,

Pour les éléments qui ont plusieurs degré d’oxydation,
l’acidité augmente avec le degré d’oxydation.

Ex : CrO Cr2O3 CrO3
Acidité croissante

47

La chaux

La chaux favorise

• la formation d’un laitier basique protecteur
• la réaction de déphosphoration
• La réaction de désulfuration

La chaux doit :

- Réactive (se dissout rapidement)
- Propre(minimum d’impuretés)
- Résistante (non friable pour éviter les fines)
- Cuisson appropriée (ni d’incuits ni de surcuits)

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Le laitier

Les caractéristiques physico-chimiques et thermiques
du laitier sont variables.

La plupart des réactions chimiques se produisent à
l’interface METAL/LAITIER et dépendent de ce fait
de la nature du laitier et du niveau de brassage du
bain.

Selon son indice de basicité, le laitier peut être plus ou
moins agressif vis-à-vis du garnissage réfractaire du
four.

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Pertes thermiques
- Pertes par rayonnement

Pr = f(L, La , Ti)
Ti : Température interne
La : Longueur de l’arc
L : Nature et quantité du laitier

- Pertes par transmission à travers le garnissage

Pg = f(G, e, Ti)
G : nature du garnissage
e : épaisseur
Ti : Température interne

Ces pertes sont estimées à :
Garnissage acide : 10-15 KW / m2
Garnissage magnésien :
Fusion : 20-40 KW / m2
Affinage : 70 KW / m2
Panneaux refroidis : 100-200 KW/m2

50

Basculement du four

- Basculement assuré par des vérins hydrauliques.

- Sécurité : le centre de gravité du four est étudié
pour prévenir les incidents dus à une éventuelle
défaillance de son mécanisme de basculement (le four
revient automatiquement à la position horizontale).

- Basculement vers l’avant et vers l’arrière

51

EAF - triphasé basculant

Tasse non renversable
pour bébé

52

Angle de basculement

1- Pour la coulée
• Vers l’avant
• Angle : est fonction du profil de la sôle du four
• Pour le four basculant l’angle est de 45 (pour le four à
trou de coulée excentré : quelques degrés)

• Le four doit pouvoir se vider facilement
(même si la sôle présente des trous)

2-Pour le décrassage
• Vers l’arrière (pour le dégagement du laitier)
• Angle de basculement varie entre 7,5 et 15

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Trou de coulée

Deux conceptions :
• Trou de coulée submergé (canal de coulée)
• Trou de coulée excentré

Le trou de coulée excentré présente les avantages suivants :
• Angle de basculement plus faible
 réduction de la longueur des câbles souples
• Augmentation de la surface des panneaux refroidis
 économie de réfractaires
• Réduction du temps de coulée
 réduction de la perte de température
 réduction de la reprise en H2 et N2 pendant la coulée

Cette conception de four nécessite de travailler avec pied de
bain (15 à 20 % de l’acier liquide ) pour protéger la sôle du four.
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Conduite de la fusion des ferrailles

• Objectifs :

- Fusion des ferrailles le plus rapidement possible

- Au moindre coût possible (programme de puissance
permettant la préservation du garnissage et des panneaux
refroidis et d’économiser de l’énergie).

Bien conduite la fusion des ferrailles

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Conduite de la fusion au EAF

Une bonne conduite de la fusion est assurée par :

- Un bon choix des paramètres électriques
(programme de puissance)

- Une bonne préparation de la charge

- Un bon suivi de l’avancement de la fusion
* par les opérateurs du four
* ne pas compter sur les programmes de puissance automatisés

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Préparation de la charge

1/- Mettre la quantité nécessaire de chaux (ou castine) au
fond du premier panier

2/- Mettre une couche de ferrailles légères au fond du
panier Pour protéger la sôle du four
• Contre les chocs mécaniques (impact des ferrailles)
• Contre les effets des arcs longs (formation rapide du liquide).

3/- Mettre une couche de ferrailles légères en haut du
panier (protection de la voûte contre le rayonnement à travers la pénétration
rapide des électrodes dans la charge).

4/- La hauteur de la charge dans le panier d’enfournement
ne doit pas dépasser le niveau des tourillons.

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Choix de puissance et longueur de l’arc

1/- démarrer la fusion par une faible puissance avec un arc
court (tension secondaire faible) pour éviter un rayonnement intense sur la voûte.

2/- Dès que les électrodes pénètrent dans la charge, mettre la
pleine puissance (creuser rapidement les puits et prévenir les casses d’électrodes
par un arc long).

3/- Lorsque les électrodes arrivent tout près de la sôle du four,
il faut réduire la longueur de l’arc. Cette marche doit continuer jusqu’à ce
la remontée des bras porte-électrodes.

4/- Remettre la pleine puissance jusqu’à la « fin » de la fusion.

5/- A la fin de fusion (marquée par la chute des ferrailles), il est
recommandé de réduire la puissance (arcs courts) et de former un
laitier protecteur.

58

Régulation des électrodes

Rôle de la régulation des électrodes (extrait d’un document d’ABB)

- Respecter le plus précisément possible et
automatiquement le point de fonctionnement nominal de l’arc
(qui est réglé en fonction des exigences d’exploitation manuellement ou par une commande
automatique.

- Le point de fonctionnement nominal définit la puissance
active et le facteur de puissance désirés. A cet effet, il faut déterminer les
caractéristiques électriques de l’arc, les comparer aux valeurs de consigne, régler les
électrodes en fonction de l’écart par rapport à la valeur de consigne et en conséquence pour
une tension donnée du transformateur, corriger la longueur de l’arc qui constitue la seule
grandeur variable.

- La régulation des électrodes a une grande influence sur
les caractéristiques d’exploitation et le coût de la fusion.

59

Influence de la régulation des électrodes et de
la construction du four sur sa rentabilité

- Les pertes thermiques peuvent être considérablement réduites
par une diminution des temps de fusion et de traitement (surchauffe,
affinage, réduction).

- Pour réduire le temps de fusion, on construit des fours à arcs
UHP (puissances spécifiques élevées).

- L’augmentation de la puissance active moyenne permet
d’augmenter la capacité de fusion. Ceci peut être assuré par un
système électronique de mesure et de régulation des électrodes.

- La qualité de la régulation des électrodes a une influence sur :
• l’usure du revêtement réfractaire
• la consommation d’électrodes,
• la durée de la coulée
• et la consommation d’énergie spécifique

60

Opérations métallurgiques
au four à arc

61

Réaction chimique (rappel)

Une réaction chimique s’exprime en général comme suit :

réaction DIRECTE

A + B C + D
(réactifs) (produits)

En réalité, la réaction se produit dans les deux sens et s’écrit :

« Équilibre »

A + B C + D
(réactifs) (produits)

62

L’équilibre est déplacé à droite quand la réaction directe est
prépondérante :

Vd >> Vi

L’équilibre est déplacé à gauche quand la réaction inverse est
prépondérante :

Vi >> Vd

Quand les deux réactions directe et inverse se produisent à des
vitesses égales, on dit qu’il y a équilibre :

Vi = Vd
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Composition chimique et température

• La composition chimique de l’acier et sa température sont
tout à fait maîtrisables au FA .

• L’affinage au FA consiste à réaliser des opérations
métallurgiques visant à corriger la composition chimique du
bain d’acier.

• Le four à arcs permet d’obtenir n’importe qu’elle
composition chimique et n’importe quelle température de
coulée (celle-ci dépend de la nuance d’acier élaborée et des conditions de
coulage).

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Opérations métallurgiques

• On distingue 4 groupes d’opérations :

1/- réglage analytique du bain : corriger % en C, Mn, Si,…

2/- Elimination des impuretés : réduire les teneurs en
éléments indésirables tels que P, S, O2, H2, N2, …

3/- Obtention d’une certaine propreté du métal : contrôler
l’état inclusionaire (nature et forme des inclusions non-métalliques)

4/- Dilution des éléments résiduels tels que Ni, Cr, Cu,…

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Réactions chimiques

Déphosphoration

 La déphosphoration est la réaction d’élimination du phosphore.

 La réaction de déphosphoration s’écrit :

2P + 5FeO + nCaO P2O5, nCaO
avec n = 3 ou 4

 Ou plus simplement : 2P + 5O P2O5

Le Phosphore augmente la fragilité de l’acier.
Pour un acier de coulée continue dont le C est > 0,25%, il est recommandé que le P soit < 0,030%
car il augmente sa criquabilité.

66

Déphosphoration

La déphosphoration est favorisée par :
 une température « basse »

- la réaction étant exothermique
- à basse température le phosphore s’oxyde avant le carbone
- la température doit être suffisamment élevée pour avoir un laitier fluide :
en pratique 1550 –1600 C assure un bon avancement de la réaction.

 un laitier basique : la chaux fixe le P2O5 formé

 un laitier suroxydé : Le FeO est un réactif de la réaction

 un laitier non saturé en P2O5
Réaliser autant que nécessaire la séquence :
- décrassage du laitier formé
- addition de CaO et de FeO (successivement ou simultanément)

67

Déphosphoration

 Au FA, la déphosphoration commence dès le début de la
fusion des ferrailles, car toutes les conditions favorables sont
pratiquement satisfaites (chaux, basse température, FeO).

 En fin de fusion, le déchiquetage de la ferraille encore non
fondue, par soufflage d’oxygène favorise la formation de FeO
dans le laitier et accélère de ce fait la déphosphoration.

 Le décrassage du laitier formé constitue le moyen le plus sûr
d’éliminer définitivement le phosphore du métal.

68

Désulfuration

Comportement du soufre dans l’acier

- Le soufre est présent dans le métal sous forme d’inclusions (sulfures, oxysulfures).
L’inclusion principale est la pyrite [FeS].

- La solubilité du Soufre dans le fer étant limitée, les
sulfures précipitent au
niveau des joints des grains lors de la solidification du métal.

- Le fer et la pyrite forment un eutectique (T f = 988 C), et en
présence d’oxygène le soufre forme des oxysulfures de température de fusion
encore plus basse.

- Les couches inter-granulaires riches en sulfures se ramollissent pendant le
chauffage (laminage à chaud ou forgeage); les joints de grains sont détruits et
des criques peuvent apparaître lors du travail plastique : c’est le
phénomène de fragilisation à chaud de l’acier (REDSHORTNESS).

69

Prévention contre le REDSHORTNESS

- Le manganèse forme avec le soufre du MnS et des sulfures
complexes. La température de fusion de MnS est de 1620 C (contre
988 pour FeS)

- La formation de MnS est donc un moyen de prévention contre le
phénomène de fragilisation à chaud de l’acier.

- La formation des cristaux d’acier (cristallisation) lors du
refroidissement se fait selon un mécanisme GERMINATION-
CROISSANCE. La frontière entre deux cristaux voisins est appelé
joint de grains Grains ou cristaux

Joints de grains

70

Les sulfures de manganèse et les oxysulfures se localisent au
niveau des joints de grains et réduisent les propriétés
mécaniques ; c’est pour cette raison qu’il est toujours
nécessaire de réduire la teneur en soufre du métal.

Grains-cristaux

Joints de grains

Précipité de sulfures
et oxysulfures

71

Désulfuration

 La désulfuration est la réaction d’élimination du soufre du
métal.

 Le soufre s’élimine essentiellement par des réactions chimiques
d’interface MÉTAL/LAITIER.

 Le transfert du soufre du métal dans le laitier est régit par
l’équilibre :
[S] + (O2-) [0] + (S2-)
[ ] : dans l’acier ( ) : dans le laitier

72

Coefficient de partage

 Transfert du soufre est caractérisé par un coefficient de partage K
K = (S) / [S ]
K = k . f[S ] . a(O) / f(S ) . a[O]
K = Cs . f[S ] / a[O]

Cs : capacité en soufre du laitier f[S ] = 1 pour les aciers faiblement alliés

 La désulfuration est favorisée par :
• activité en soufre f [S ] élevée
• teneurs en C et Si élevées (activité en oxygène faible)

 Formule empirique (Fischer et Engelbrecht) : [S] = 4 [O]

73

Facteurs favorables à la désulfuration

- Laitier basique *
• K passe de 8 à 14 quand l’indice de basicité Ib passe de 3 à 5
• Ea : 30-50 Kcal/mole dans le cas d’un laitier basique (100-120 Kcal/mole pour
un laitier acide).
(S)/[S]

20

16
INFLUENCE DE L’EXCÈS
12 DE BASE SUR Ls

8

4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 %
(CaO + MgO + MnO) - (SiO2 + P2O5 + TiO2)
74

-Un laitier réducteur conduit à une diminution de [O] et donc
à un déplacement d’équilibre vers la droite
Vitesse de désulfuration [S] + (O2-) [0] + (S2-)
(% S/h)

0,012

Influence du degré de
0,010
désoxydation sur la vitesse
de désulfuration.
0,008

0,006

0,004

0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 Si% au début de la
période réductrice
75


- Un laitier fluide (interface métal/laitier plus grande, température de fusion
faible et viscosité faible) . En pratique, on utilise un fluidifiant tel que le spath
fluor (CaF2).

-Laitier non saturé (renouvellement)

-Température élevée (améliore la cinétique des réactions et la solubilité)

-Formation de sulfures stables dans le laitier (MgS – CaS)

76


-Bain agité : Le brassage (agitation)
- augmente l’interface METAL/LAITIER
- améliore la dissolution des additions
- homogénéise le métal
- f avorise la coalescence des inclusions et leur décantation.
Le brassage est assuré par :
- injection de gaz ou produits réactifs dans le bain
- action d’un champ électromagnétique
T1/2 (min) - action mécanique (ex : lors de la coulée)

8 Influence de la puissance de brassage
7 électromagnétique sur le temps (T1/2)
d’élimination de la moitié des
6 inclusions formées
5 dans un bain d’acier de 140 tonnes.
4
3
2
Puissance
1 de brassage
0 50 100 150 (W/m3)

77

Mécanisme de la désulfuration
- Mécanisme en deux étapes :

* Elimination du soufre du métal

* Transformation des sulfures actifs (solubles dans le métal) en
sulfures passifs (stables dans le laitier)

-La réaction principale consiste à former

* un sulfure plus soluble dans le laitier que dans l’acier

* et plus stable que le sulfure de fer.

- Si des basses teneurs en soufre dans l’acier sont recherchées, il
convient de réaliser une désulfuration poussée.

78

Réactions chimiques de désulfuration

Au FA le soufre s’élimine par :

• désulfuration en période oxydante

• désulfuration en période réductrice

• désulfuration par l’atmosphère

• désulfuration par formation d’un sulfure solide

• désulfuration par les réfractaires

79

Désulfuration en période oxydante

- La période oxydante est caractérisée par (FeO) > 10%.

- Le coefficient de distribution du soufre est faible à cause des
teneurs élevées en SiO2 et Al2O3 qui fixent la chaux et
réduisent son activité.
Ls = (S)/[S] < 10

- Pour augmenter Ls :

• déplacer la limite de saturation du laitier en CaO

• réduire les entrées de SiO2 et Al2O3

• décrasser le laitier formé (tolérer des pertes de Fe et Mn)

80

Désulfuration en période réductrice

- La période réductrice est caractérisée par (FeO) < 3%. Cette
période est la plus adaptée à la désulfuration.

- Le coefficient de distribution varie de 20 à 100.

- Les paramètres à contrôler sont :

• Conditions réductrices à l’interface METAL/LAITIER
(désoxydation du métal , du laitier ou des deux à la fois et maîtrise de la réoxydation du bain
par l’atmosphère)

• Composition chimique du laitier (pouvoir désulfurisant élevé et potentiel
d’oxygène faible).

• Température (effet favorable sur la cinétique des réactions)

• Le brassage du bain (favorise les échanges entre le métal et le laitier, accélère la
coalescence des inclusions et leur décantation).

81

Vitesse de décantation des inclusions

- La vitesse de décantation ou flotaison (Vf ) d’une inclusion
est proportionnelle au carré du son rayon.

- Elle s’exprime par la relation empirique suivante :

Vf = [ 2/9. g . (dm – di) / v ] r2

Vf = K . r2

Avec : g : accélération de la pesanteur
dm : densité du métal
di : densité de l’inclusion
v : viscosité du bain
r : rayon de l’inclusion

82

Autres réactions de désulfuration

Désulfuration par l’atmosphère : Ce type de désulfuration est interprété
comme étant une désulfuration du laitier. Il est rencontré dans le cas du convertissage
à l’oxygène ou de fusion oxydante au fours à arcs.

(S2-) + 1/2O2 O2- + 1/2S2
1/2S2 + O2 SO2
Ce réaction n’est pas performante

Désulfuration par formation d’un sulfure solide : Ce type de
désulfuration se produit quand la teneur en oxygène dissous dans l’acier [O] est
très faible. Le décrassage d’une phase solide est très difficile.

Désulfuration par les réfractaires : Le soufre peut être fixé par la chaux
des réfractaires basiques en période réductrice, mais il sera libéré en période
oxydante de la coulée suivante.
83

DÉSOXYDATION DE L’ACIER

La propreté de l’acier dépend de sa teneur en O2 dissous.

La désoxydation est la réaction d’élimination de l’ O2 du métal.

La formule générale de la désoxydation s’écrit :

n [X] + m [O] X n Om
X : élément désoxydant [ ] : dans le métal

84

Les désoxydants

Désoxydant courants : C, Si,
Mn, Al et alcalino-terreux
(Mg, Ca)

- Les désoxydants peuvent être simples ou complexes

- Les désoxydants complexes sont plus efficaces que les
désoxydants simples

85

Mécanisme de la désoxydation

Le mécanisme de désoxydation comprend trois étapes :

• la dissolution du désoxydant

• La germination et la croissance des inclusions d’oxydes

• L’élimination des inclusions formées

La teneur globale en oxygène dans un métal est la somme de
l’oxygène libre et de l’oxygène lié :

Ototal = O libre + O lié

86

Désoxydation par le carbone

- Le carbone : désoxydant médiocre à la pression atmosphérique.

- Son pouvoir désoxydant augmente quand la pression partielle de
CO diminue. Le carbone est plus réactif que l’Aluminium lorsque PCO = 10-3

- La réaction de désoxydation par le carbone s’écrit :

[C] + [O] CO (g)

K éq = aC . aO / PCO Log K = - 1168/T - 2,07

87

Désoxydation par le Manganèse

- Bien qu’il ne soit pas un désoxydant très fort, Mn est d’une
grande importance en sidérurgie.

- Mn forme, avec l’oxygène dissous dans le fer liquide à 1600 C,
du MnO soluble dans FeO en toutes proportions.

- La solution FeO-MnO formée est :

• liquide quand elle est riche en FeO

• solide quand elle est riche en MnO

88

Désoxydation par le Silicium

- Le Silicium est un désoxydant plus puissant que le C et Mn.

- La réaction de désoxydation par Si s’écrit :

Si + O2 SiO2 avec Hof = - 15 MJ/Kg

- La désoxydation par Si est favorisée par un laitier pauvre en
SiO2.

- L’action du Si est augmentée par une action simultanée du Mn

- Pour l’acier de coulée continue, Si favorise les criques internes
à partir de 0,5%.

89

aO
1
1600 C
1550 C

10-1

Influence de T et de aSiO2 du
10-2 laitier sur la désoxydation de
aSiO2 = 1 l’acier liquide par Si

aSiO2 = 0,1
10-3
aSiO2 = 0,01

10-4
10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 aSi

90

Evolution de la teneur en oxygène
en fonction du mode d’addition
[O] ppm (addition de 0,45% de Si dans l’acier)

1600

800 Bain calme Bain agité

400

Mn/Si = 0
200

100
Mn/Si = 2,5

Temps après
50
0 2 4 6 8 10 addition (min)

91

Désoxydation par l’Aluminium

- L’Aluminium (Al), le Cérium (Ce) et le Zirconium (Zr) sont
des désoxydants forts.

- Ils ont une très grande affinité pour l’oxygène et leur pourvoir
désoxydant varie beaucoup avec les conditions expérimentales

- Les réactions de désoxydation s’écrivent :
2Al + 3/2 O2 Al2O3 K = [Al]2 . [O]3
K1600 C = 10-9 - 10-14

2Ce + 3/2 O2 Ce2O3 K = [Ce]2 . [O]3
K1600 = 10-17

Zr + O2 ZrO2 K = [Zr] . [O]2
K1600 C = 10-17

92

Désoxydation par les alcalino-terreux

- Les alcalino-terreux Mg et Ca ont une tension de vapeur élevée
aux températures d’élaboration de l’acier (PMg = 1,7 atm et PCa = 1,8 atm à 1600 C).

- Ils sont très peu soluble dans le fer liquide et leur solubilité est
augmentée en présence d’autres éléments d’alliages. La solubilité du Ca est doublée
par 0,9% de C , 3% de Si, 4% de Al ou 6% de Ni.

- La détermination expérimentale des relations d’équilibre de Mg et Ca avec l’oxygène
est difficile. Une estimation des produits de solubilité des oxydes dans le fer liquide à
1600 C à partir des grandeurs thermodynamiques donne
aCa . aO /aCaO = 6,2 10-11 et aMg . aO /aMgO = 1,3 10-9
- Ca est utilisé sous forme composée tel que C2Ca, ou sous forme d’alliage à base
de Silicium et contenant éventuellement de l’Aluminium, du Manganèse ou du
Barium.

- L’alliage le plus couramment utilisé est le SiCa à 38% de Ca.

93

Désoxydation complexes

- L’action simultanée de deux éléments désoxydants est plus
efficace que leurs actions lorsqu’ils sont additionnés séparément.

- La phase oxydée formée suite à l’addition dans l’acier de
plusieurs désoxydants est constituée d’inclusions mixtes d’oxydes
des éléments additionnés

- Les connaissances actuelles de la thermodynamique des laitiers
sidérurgiques ne permettent pas d’établir un calcul précis et
complet. Les systèmes les mieux connus sont les quaternaires
Fe-Mn-Si-O et Fe-Al-Si-O.

94

Désoxydation par Si-Al

- La nature de la phase oxydée formée dépend de la composition du
bain métallique.

- Dans l’acier liquide à 1600 C , il se forme des inclusions mixtes de
SiO2-Al2O3-FeO et on distingue trois domaines :

• Domaine de l’Alumine : lorsque Si est ajouté en quantité insuffisante,
il se forme des inclusions riches en Al2O3.

• Domaine de la Silice : lorsque Al est ajouté en quantité insuffisante, il
se forme des inclusions riches en SiO2.

• Domaine de la Mullite : lorsque Al est ajouté en petite quantité et après
le Si, il se forme des inclusions de SiO2 qui seront réduites par Al.

95

Désoxydation par Si-Mn

- La nature de la phase oxydée formée dépend de la composition du
bain métallique.

- Dans l’acier liquide à 1600 C , il se forme des inclusions mixtes de
SiO2-MnO-FeO et on distingue trois domaines :

• Domaine de la Silice : désoxydation par Si, le Mn joue le rôle
d’un élément d’alliage.

• Domaine de FeO-MnO solide : désoxydation par Mn ([Si] faible)

• Domaine des Silicates fluides : Mn et Si participent activement à la
désoxydation et il se forme une solution liquide SiO2-MnO-FeO.

96

Désoxydants puissants

- Désoxydants complexes contenant des alcalins (Na, K) ou des
alcalino-terreux (Mg, Ca) . Ces alliages sont utilisés pour réaliser
des désoxydations poussées.

- Éléments des terres rares ou leurs alliages utilisés en conjonction
avec d’autres désoxydants. Il sont employé pour réaliser une
désoxydation et une désulfuration poussées.

- Les désoxydants puissants présentent les avantages suivants :

• Meilleure efficacité grâce à leur plus grande solubilité
• Formation de produits de désoxydation liquide (pouvant dissoudre
les inclusions d’oxyde à haut point de fusion)

• Teneur résiduel en désoxydant plus faible

97

Comparaison des capacités
de désoxydation
de certains éléments
[%O]

Cr
0,10
Le Mn, Si et Al sont les désoxydants
C
traditionnels.
V Mn L’aluminium est utilisé pratiquement
Si pour tous les aciers..
0,01

Ti

Al
0,001

0,01 0,1 1,0 10,0 [%E]

98

Courbe de comparaison des
capacités de Désoxydation des
éléments E1 et E2
(par des essais comparatifs de désoxydation )
[%O]

limite de solubilité à 1600 C [] : dans l’acier
E1 et E2 : éléments désoxydants

y1
E1

y2 E2 E2 est plus efficace que E1

X [%E]

99

MÉCANISME DE DÉSOXYDATION

La désoxydation se fait en deux étapes :

• Diminution rapide de l’oxygène dissous correspondant
à une formation abondante d’inclusions d’oxydes

• Diminution lente de l’oxygène total correspondant à
l’élimination des inclusions d’oxydes formées. Le brassage
accélère la coalescence des inclusions (formation d’ inclusions plus grosses
qui décantent plus rapidement)

(Vf = Kr2).

100

Facteurs agissant sur la désoxydation

Facteurs favorables :
• Température élevée
• Bain agité
• Désoxydant préchauffé ou liquide

Facteurs défavorables :

• désoxydant oxydé à la surface
• désoxydant solide ajouté en surface

101

O2 dissous

100
Influence du mode d’introduction
d’une addition d’Al sur l’évolution
de la teneur en O2 dissous
75

50

0,12% Al solide immergé
25

0,12% Al liquide injecté

0 Temps après
0 30 60 90 120 150 addition (sec)

102

CINÉTIQUE DE DÉSOXYDATION

La cinétique de la désoxydation est complexe et comporte plusieurs
étapes :
• dissolution du désoxydant (étape lente)
• germination et croissance des inclusions d’oxydes (étape rapide)
• élimination des inclusions formées

On distingue deux variétés d’oxygène dont la teneur évolue dans le
temps :
- l’oxygène dissous dans le métal
- l’oxygène lié (dans les inclusions)

L’évolution des teneurs en oxygène dissous et lié permet de suivre les différentes
étapes du mécanisme de désoxydation.

103

Désoxydation par Si et Mn

• Le rapport Mn/Si est très important

• Mn/Si > 5 : formation de silicates de manganèse fluides qui
coalescent facilement

• Addition simultanée pour une reproductibilité des résultats
(surtout en l’absence d’homogénéisation)

• Mn en premier : risque d’élimination avant d’atteindre
l’équilibre thermodynamique

104

Désoxydation par Si et Al

• Si ajouté avant Al : formation de SiO2

• Temps séparant les additions doit être très court : les inclusions de
SiO2 n’auront pas le temps de décanter

• Réduction de SiO2 par Al favorisée par une élévation locale de température
due à la chaleur de réaction (75 Kcal/mole de Al2O3). La réaction est une substitution
de Si par Al conduisant à la formation d’inclusions sphériques de Al2O3 qui
décantent rapidement

•Al avant Si ou alliage Si-Al : le rôle bénéfique de Si disparaît et il se
forme des amas d’Al2O3 ou d’inclusions complexes hétérogènes qui fixent sur leur
pourtour des globules de fer.

• La décantation des inclusions est d’autant plus rapide que le bain
est riche en inclusions de silice ou de silicates de manganèse avant
addition d’aluminium.
105

Oxygène Évolution de la teneur en O2 et de la nature
des inclusions lors d’une désoxydation par
Addition de Si additions successives de Si puis Al

Addition de Al

Silice

Alumine
globulaire

Oxygène dissous
Amas d’alumine

Temps

106

Désoxydation par les alliages de Ca

- Les inclusions contenant du Ca ont la réputation d’être
paresseuses.

- Leur vitesse de décantation est beaucoup plus lente que celle des
oxydes purs alumine ou silice.

- La désoxydation par les alliages de calcium est utilisée dans le
but d’obtenir des inclusions complexes de composition chimiques
et de morphologie bien définies et dont les propriétés mécaniques
sont intéressantes pour certaines nuances d’acier (ex : inclusions
plastiques pour les aciers à usinabilité améliorée ou pour un acier destiné au
tréfilage fin).

107

BIBLIOGRAPHIE

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P2 cours fa 2013 a

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