Production avancée d'acier inoxydable : du four à arc électrique aux techniques modernes à base d'oxygène

Les aciers inoxydables contiennent de 10 % à 30 % de chrome. Ces aciers contiennent également des quantités variables de nickel, molybdène, cuivre, soufre, titane et niobium, etc.

La majorité de la production d'acier inoxydable se faisait par le four à arc électrique (EAF) jusqu'aux environs de 1970. Avec l'utilisation d'oxygène en tonnage dans la production d'acier, la pratique de fabrication d'acier inoxydable par EAF a changé. Le gaz oxygène pouvait être utilisé pour améliorer le taux de décarburation. Cela pouvait être réalisé en injectant un potentiel d'oxygène élevé mais cela s'accompagnait de la réaction adverse d'oxydation extensive du chrome vers le laitier. Cela a nécessité une période de réduction bien définie dans laquelle le ferrosilicium était utilisé pour réduire le chrome oxydé du laitier.

La production d'acier inoxydable a commencé par le procédé duplex avec le développement réussi du procédé de décarburation argon-oxygène (AOD) en convertisseur. Bien que le procédé duplex avec convertisseur AOD soit le plus important, il existe plusieurs procédés duplex utilisés aujourd'hui pour la fabrication d'aciers inoxydables. Dans ces procédés, il y a un EAF ou fourneau similaire qui fond la ferraille, les ferroalliages et d'autres matières premières pour produire l'acier liquide. Cet acier liquide, qui contient la majeure partie du chrome et du nickel ainsi que certains autres éléments d'alliage, est la charge des convertisseurs. Les convertisseurs sont utilisés pour obtenir des aciers inoxydables à faible teneur en carbone. La polyvalence du procédé duplex EAF-AOD a conduit les sidérurgistes à réexaminer l'utilisation de différents convertisseurs pour la fusion d'aciers inoxydables. Cela a conduit au développement de plusieurs autres convertisseurs pour les procédés duplex.

Le travail de développement pour fabriquer des aciers inoxydables en utilisant un convertisseur conventionnel BOF (four à oxygène basique) avait commencé à la fin des années 1950 et au début des années 1960. Vers le milieu des années 1960, certains sidérurgistes utilisaient des convertisseurs BOF existants pour une décarburation partielle suivie d'une décarburation dans une poche sous vide pour fabriquer les aciers inoxydables à faible carbone. Ces procédés sont connus sous le nom de procédés triplex car trois unités de processus, telles que EAF, un convertisseur pour le pré-soufflage et une unité de décarburation sous vide pour le raffinage final, sont impliquées. Les aciers subissent un traitement pour la décarburation finale, le réglage final, l'homogénéisation et la flottation des inclusions avant que la poche ne soit emmenée à l'opération de coulée. Dans presque tous ces procédés triplex, le traitement sous vide des aciers dans la poche de coulée est l'étape finale avant la coulée. La Fig. 1 montre la comparaison des voies de procédés duplex et triplex.

Avec tous ces développements, il y a actuellement différents procédés disponibles pour fabriquer des aciers inoxydables. Les procédés disponibles sont divisés en trois groupes. Ce sont les procédés par convertisseur, les procédés convertisseur avec vide, et les procédés sous vide.

Principes généraux de production des aciers inoxydables

La décarburation de l'acier inoxydable doit minimiser l'oxydation du chrome. Il est généralement admis que lorsque l'oxygène est injecté dans l'acier inoxydable, un mélange de chrome et de fer est oxydé. La décarburation se produit lorsque le carbone dissous réduit les oxydes de chrome et de fer qui se forment. La séquence de décarburation est ainsi :

3O₂ (g) + 4Cr = 2Cr₂O₃

Cr₂O₃ + 3C = 2Cr + 3CO (g)

La décarburation se produit à la surface des bulles montantes qui se forment soit à partir du gaz inerte qui est injecté, soit à la surface des particules d'oxyde de chrome qui sont en train d'être réduites et génèrent du CO.

La décarburation implique des techniques pour minimiser l'oxydation du chrome. Il y a trois techniques de base qui sont : la température, la dilution, et le vide.

La technique de température était utilisée par la fabrication d'acier inoxydable EAF avant le développement des procédés duplex. À mesure que la température augmente, la teneur en carbone d'équilibre à une teneur en chrome particulière diminue. Cependant, cela mène à des difficultés opérationnelles et des coûts élevés.

La technique de dilution est celle utilisée par l'AOD et tous les procédés par convertisseur. L'injection de gaz inerte (argon ou azote) abaisse la pression partielle du gaz CO dans le bain, permettant ainsi des teneurs en chrome plus élevées d'être en équilibre avec des teneurs en carbone plus basses.

L'application d'un vide au bain de métal enlève aussi le CO, permettant des teneurs en chrome élevées d'être en équilibre avec de faibles teneurs en carbone. C'est particulièrement efficace lorsque la teneur en carbone est faible.

Un contrôle soigneux du laitier, tel qu'il est produit dans la réaction, est important. Tout oxyde de chrome non réduit par le carbone finit dans le laitier, qui peut former un spinelle complexe. Un traitement ultérieur (appelé réduction) est requis pour récupérer les éléments oxydés tels que le chrome, le fer, le manganèse, etc. L'efficacité de l'étape de réduction dépend de nombreux facteurs y compris la basicité et la température du laitier, les conditions de mélange dans le convertisseur et la cinétique de dissolution des ajouts solides.

Choix des voies de procédés

Il y a de nombreuses voies de procédés différentes disponibles pour le processus de fabrication d'acier inoxydable. Il faut choisir parmi ces voies basées sur de nombreux facteurs qui déterminent les coûts d'investissement et d'exploitation. Le choix de la voie de procédé est influencé par la disponibilité des matières premières, le produit désiré, le traitement en aval, la logistique d'atelier existante, et l'économie d'investissement. Aussi, un certain degré de flexibilité dans la voie de procédé est souhaitable, car ces facteurs peuvent changer avec le temps. En général, le flux de procédé de fabrication d'acier inoxydable peut être classé comme duplex ou triplex. Le procédé duplex, où la fabrication d'acier EAF est suivie du raffinage dans un convertisseur, tend à être flexible par rapport à la sélection des matières premières. Le procédé triplex, où la fabrication d'acier EAF et le raffinage en convertisseur sont suivis du raffinage avec un système sous vide, est souvent souhaitable lorsque le produit final a des spécifications de carbone et d'azote très faibles. Le procédé triplex tend à avoir des temps de cycle globaux plus longs que le procédé duplex car il y a un transfert supplémentaire du convertisseur de procédé à l'unité sous vide. Il tend aussi à avoir des coûts de réfractaires légèrement plus élevés car il y a deux fours effectuant la décarburation.

Pour une flexibilité maximale, un atelier devrait avoir un flux de procédé qui peut incorporer à la fois les voies duplex et triplex. Cela offre la plus grande flexibilité en matières premières, capacité de production, et flux de procédé. Dans ce cas, seulement les produits qui nécessitent un raffinage sous vide pour des raisons économiques et/ou de qualité utiliseront une voie triplex.

Procédés de raffinage par dilution

Dans un convertisseur, la décarburation est effectuée en utilisant le principe de dilution. Il y a différents convertisseurs basés sur les gaz utilisés. Les convertisseurs sont aussi soit à soufflage latéral, soit à soufflage par le bas. Les utilisateurs de convertisseurs à soufflage latéral affirment que le soufflage latéral résulte en des efficacités d'élimination du carbone plus élevées (quantité d'oxygène réagissant avec le carbone divisée par la quantité totale de gaz soufflés) dans la gamme de 0,1 à 0,005 % de carbone, due à un temps de résidence plus long des bulles de gaz inerte, et une désulfuration améliorée dans la gamme de 0,005 % à moins de 0,001 % de soufre due à un mélange amélioré. Les procédés de dilution par convertisseur les plus populaires sont décrits ci-dessous :

• Procédé AOD – Le procédé est décrit dans un article séparé au lien https://www.ispatguru.com/argon-oxygen-decarburization-process/
• K-BOP et K-OBM-S – Le procédé K-BOP de Kawasaki Steel Corporation a commencé comme un BOF conventionnel à soufflage d'oxygène par le haut. Il a été modifié pour avoir sept tuyères de fond de type OBM (Q-BOP). Ces tuyères pouvaient souffler de l'oxygène avec du propane pour le refroidissement des tuyères. De la chaux en poudre pouvait aussi être injectée à travers ces tuyères. Le procédé K-OBM-S développé par Voest Alpine Industrieanlagenbau (maintenant Siemens VAI) et évolué du procédé K-BOP de Kawasaki. Le procédé K-OBM-S a été initié avec des tuyères dans le fond du convertisseur. Cependant, certaines installations sont des réacteurs à soufflage latéral. Ainsi, un convertisseur K-OBM-S est un soufflage par le haut avec une lance et un soufflage par le bas ou latéral avec des tuyères. Il est très similaire à un AOD moderne. Cependant, dans le procédé K-OBM-S, des hydrocarbures, tels que le gaz naturel ou le propane, sont utilisés pour la protection des tuyères et cela peut être utile pour augmenter la durée de vie des réfractaires.
• Convertisseur MRP (Metal Refining Process) – Le convertisseur MRP a été développé par Mannesmann Demag Hüttentechnik (maintenant SMS Siemag). L'acier liquide fondu, qui contient du chrome et du nickel, est chargé au convertisseur MRP. La décarburation est effectuée en utilisant l'oxygène et les gaz inertes. Dans les premiers stades de développement, les gaz étaient soufflés alternativement à travers les tuyères dans le fond du convertisseur. L'oxygène est soufflé dans le bain sans dilution avec aucun gaz inerte. Le souffle d'oxygène désiré est suivi par un souffle avec du gaz inerte seulement. Le cycle de souffle d'oxygène suivi par le souffle inerte est appelé raffinage cyclique ou pulsé et les développeurs affirment que le rinçage avec du gaz inerte pur peut mener à l'obtention d'une pression partielle de CO basse et une décarburation plus rapide et donc une oxydation du chrome plus faible et une consommation de silicium pour la réduction plus faible. La version originale du convertisseur a maintenant évolué en le procédé MRP-L dans lequel tout l'oxygène est soufflé par le haut et le gaz inerte est injecté à travers des éléments poreux dans le fond. Les tuyères de fond peuvent être remplacées facilement grâce à l'utilisation d'un fond échangeable. Avec les tuyères de fond, il y a moins de risque d'érosion sur les parois latérales du convertisseur. Ces dernières années, les unités MRP-L ont été couplées avec une unité sous vide comme partie du procédé triplex pour la fabrication d'aciers inoxydables, en particulier ceux nécessitant des niveaux de carbone et d'azote plus bas.
• Convertisseur Creusot-Loire-Uddeholm (CLU) – Le procédé CLU est similaire au procédé AOD pour la fabrication d'aciers inoxydables. Il utilise aussi de l'acier liquide d'un EAF. L'impulsion majeure pour son développement était l'idée de substituer la vapeur comme gaz diluant plutôt que l'argon. Le convertisseur est à soufflage par le bas, le différenciant ainsi du convertisseur AOD à soufflage latéral. La première usine commerciale utilisant le procédé CLU a été construite en 1973. La période de décarburation consiste en l'injection d'un mélange oxygène-vapeur. Le procédé est inefficace énergétiquement car la réaction de la vapeur avec le bain d'acier fondu est endothermique. L'oxydation du chrome est plus élevée que dans le procédé AOD lorsque la décarburation est continuée en dessous d'environ 0,18 % de carbone. Bien que l'objectif original de réduire la consommation d'argon puisse être atteint, l'exigence accrue de silicium pour l'étape de réduction ne mène pas nécessairement à des économies de coûts globales. De plus, l'utilisation de vapeur pendant toute la période a été trouvée pour mener à des teneurs en hydrogène indésirables dans l'acier raffiné. Par conséquent, des pratiques ont évolué qui utilisent diverses quantités de vapeur, d'argon et d'azote dans le procédé.
• Procédé Krupp combined blowing-stainless (KCB-S) – La production d'aciers inoxydables dans le convertisseur BOF en utilisant la lance par le haut était pratiquée avant l'avènement du procédé AOD. Après l'introduction du procédé AOD, Krupp Stahl AG a modifié le convertisseur pour que le soufflage combiné à travers la lance et les tuyères puisse être pratiqué pour le raffinage des aciers inoxydables. Le procédé a été nommé Krupp combined blowing-stainless ou KCB-S. L'introduction simultanée des gaz de procédé les a aidés à augmenter le taux de décarburation. Le soufflage à travers une lance par le haut et à travers les tuyères sous la surface du bain a aidé à atteindre des taux de décarburation très élevés. Le taux de décarburation accru a mené à une réduction allant jusqu'à 30 % des temps de raffinage comparé à un AOD conventionnel seul. L'acier liquide de l'EAF est chargé au convertisseur. Au début du souffle, de l'oxygène pur est injecté simultanément à travers la lance et les tuyères de paroi latérale. Après qu'une température de procédé désirée est atteinte, divers ajouts sont faits pendant le souffle. Les ajouts consistent en chaux, ferroalliages et ferraille. Après qu'un niveau critique de carbone est atteint, la teneur en oxygène du gaz de procédé est réduite en utilisant des gaz inertes tels que l'azote ou l'argon. Des rapports oxygène/gaz inerte de 4:1, 2:1, 1:1, 1:2 et 1:4 sont utilisés alors que la décarburation à des niveaux plus bas est poursuivie. Lorsque la teneur en carbone de 0,15 % est atteinte, l'utilisation de la lance est discontinuée et les gaz de procédé sont introduits seulement à travers les tuyères. Lorsque le niveau de carbone visé est atteint, le souffle d'oxygène est discontinué et le silicium est ajouté sous forme de ferrosilicium pour réduire l'oxyde de chrome dans le laitier et pour atteindre la spécification de silicium requise. L'ajout de chaux et d'autres agents fondants avec le ferrosilicium mène à l'abaissement de la teneur en oxygène dissous et améliore la désulfuration.
• Convertisseur ASM (Argon Secondary Melting) – Ce procédé a été développé par MAN GHH en Allemagne. Il est similaire au procédé AOD, sauf que les tuyères sont dans le fond du récipient. Lorsque l'oxygène soufflé par le haut est utilisé, il est identifié comme le procédé ASM-L.
• Convertisseur STB (Sumitomo Top and Bottom Blowing) – Sumitomo Metal Industries a développé le procédé Sumitomo top and bottom blowing (STB). Il a été développé pour surmonter les inconvénients d'un procédé de soufflage purement par le haut ou purement par le bas en combinant les deux concepts en un seul procédé. Il a aussi essayé de surmonter deux inconvénients du procédé AOD à l'époque : l'érosion des tuyères et le débit d'oxygène limité. L'apport additionnel de gaz riches en oxygène par la lance par le haut a mené à des temps de décarburation plus courts.
• Convertisseur TMBI (Top Mixed Bottom Inert) – Dans ce procédé, le convertisseur est équipé de tuyères de fond pour injecter seulement des gaz inertes tels que l'argon ou l'azote. La majorité du gaz de procédé est introduite par la lance par le haut. La lance par le haut peut être utilisée pour introduire le mélange de gaz désiré. Le procédé s'appelle top mixed bottom inert (TMBI). Le procédé est similaire aux autres procédés qui utilisent le soufflage de gaz combiné dans un convertisseur. L'usine exploitée par Allegheny Ludlum avec ce procédé a des fours à induction sans noyau qui fondent la ferraille d'acier au carbone et fournissent du métal chaud sans chrome aux convertisseurs BOF.
• Unités combinées convertisseur et vide – Les procédés de convertisseur discutés ci-dessus ont un inconvénient en ce que les aciers inoxydables avec des résidus de carbone et d'azote très faibles deviennent difficiles à produire. La période de décarburation devient plus longue tandis que l'oxydation du chrome et la consommation d'argon augmentent à mesure que les niveaux désirés de carbone et d'azote diminuent. Certains sidérurgistes ont essayé de surmonter cet inconvénient en appliquant le vide au convertisseur aux tous derniers stades du processus de décarburation. Le concept a aussi été promu par Leybould-Heraus comme alternative à l'AOD ou au VOD. Le concept d'appliquer le vide à un convertisseur est poursuivi par l'installation de AOD/VCR par Daido aux usines de Shibukawa et Chita et par Nippon Steel à ses travaux de Hikari. L'AOD-VCR fonctionne comme un AOD conventionnel jusqu'à 0,08 % – 0,10 % C. Le procédé est arrêté pour l'échantillonnage et un couvercle sous vide est mis en place. Le couvercle est scellé à une bride située à mi-hauteur de la section conique du convertisseur. Un vide est tiré et utilisé pour le reste de la décarburation et de la réduction. La désulfuration est effectuée dans la poche de transfert avant la charge AOD. Les avantages majeurs de ce procédé par rapport aux procédés de convertisseur sont la consommation diminuée d'argon et de silicium. Les inconvénients incluent une consommation de réfractaires plus élevée, une capacité diminuée de fondre la ferraille et les coûts et la maintenance ajoutés associés à la production de vapeur. Comparé à des unités de convertisseur et VOD séparées, l'AOD-VCR a des coûts d'exploitation plus élevés (silicium, réfractaires, et argon), une productivité plus faible et des teneurs en azote plus élevées. Les coûts d'investissement peuvent être quelque peu inférieurs à ceux de deux unités séparées.

Procédés de raffinage sous vide

L'utilisation du vide pour la décarburation des aciers a été développée en Allemagne. Les premiers procédés incluaient le dégazage RH, le dégazage DH, et le raffinage sous vide Allegheny (AVR) comme deuxième étape dans le procédé duplex. Ces procédés impliquent l'abaissement de la pression au-dessus du bain d'acier pour favoriser l'évolution du gaz monoxyde de carbone. Les aciers inoxydables liquides entrant dans le procédé sous vide contiennent généralement du carbone d'environ 0,5 % ou moins. La plupart des procédés sous vide sont effectués dans une chambre avec une poche pleine de métal par opposition à un récipient de raffinage séparé utilisé dans les procédés de dilution/convertisseur.

Au milieu des années 1960, le concept de décarburation sous vide a été utilisé par Allegheny Ludlum Steel Corporation pour développer le procédé de raffinage sous vide Allegheny. Ce procédé est devenu non compétitif avec l'introduction du procédé AOD et a été abandonné.

Les premiers procédés duplex où le traitement sous vide était utilisé comme deuxième étape étaient trop lents et avaient une flexibilité très limitée par rapport aux matières premières qui pouvaient être utilisées. Les procédés sous vide ne pouvaient pas suivre l'amélioration de la productivité des EAF et les coûts d'exploitation étaient élevés. Par conséquent, les développements ultérieurs se sont concentrés sur l'utilisation de convertisseurs pour décarburer l'acier liquide des EAF comme deuxième étape suivie par le dégazage sous vide pour l'étape de finition. De tels procédés sont connus sous le nom de procédés triplex pour la fabrication d'aciers inoxydables car ils utilisent trois procédés pour atteindre la chimie finie désirée.

Nippon Steel Corporation a introduit le procédé RH-OB pour la fabrication d'aciers inoxydables. Le métal chaud d'un haut fourneau était alimenté dans un convertisseur BOF où le métal était allié avec du chrome et soufflé jusqu'à un niveau de carbone de 0,5 % – 0,6 %. La décarburation finale était conduite en utilisant le procédé RH-OB. Nippon Steel a converti un dégazeur RH existant, qui était utilisé pour les aciers au carbone, pour que l'oxygène puisse être injecté sous vide.

Thyssen en Allemagne a développé le procédé de décarburation oxygène sous vide (VOD) au milieu des années 1960. Dans les premiers stades de son développement, le VOD était utilisé pour décarburer l'alliage fondu de l'EAF. Plus tard, la décarburation préliminaire a été faite dans un BOF et le procédé triplex EAF-BOF-VOD est devenu plus productif. Au début des années 1970, Kawasaki Steel Corporation a modifié le procédé VOD en utilisant des bulleurs à bouchons poreux multiples dans la poche. Ils ont appelé ceci le procédé SS-VOD (strong stirring VOD). En 1988, ALZ en Belgique a modifié les installations pour fabriquer des aciers inoxydables par un procédé triplex consistant en fusion EAF, convertisseur MRP-L, et procédé VOD.

Les avantages majeurs des procédés sous vide incluent une faible consommation d'argon et une faible oxydation du chrome pendant la décarburation finale à de faibles niveaux de carbone. Ce dernier a mené à une consommation plus faible d'éléments de réduction pour la récupération du chrome du laitier. La coulée de l'acier depuis la poche utilisée dans les procédés sous vide élimine la reprise d'azote et d'oxygène de l'air qui est associée au déversement des convertisseurs. Le procédé SS-VOD, en raison du brassage fort obtenu en utilisant des bulleurs multiples dans la poche, a encore amélioré la capacité de produire des niveaux encore plus bas de carbone, d'azote et d'hydrogène à des niveaux de chrome plus élevés.

Un inconvénient majeur du traitement VOD est qu'il est moins flexible qu'un AOD ou autre procédé de convertisseur par rapport à l'utilisation des matières premières.

De nombreux sidérurgistes ont aussi réalisé que les procédés sous vide ont souvent des coûts d'exploitation élevés et ne peuvent pas concurrencer la facilité d'exploitation d'un procédé de convertisseur à pression atmosphérique. Cependant, les procédés sous vide, en particulier le procédé SS-VOD, ont la capacité unique d'atteindre des niveaux de carbone et d'azote plus bas dans les aciers inoxydables qui ne peuvent pas être facilement atteints par le procédé AOD ou d'autres procédés de convertisseur.

Fabrication directe d'acier inoxydable

Ces dernières années, il y a eu des efforts pour utiliser des minerais de chrome et de nickel pour la fabrication d'acier inoxydable au lieu des ferroalliaux. Au Japon, un certain nombre d'entreprises ont développé et utilisent de tels procédés commercialement.

Les procédés de fabrication directe d'acier inoxydable nécessitent moins de ferraille et de ferroalliages et peuvent être considérés lorsque la ferraille d'acier inoxydable et les ferroalliages ne sont pas facilement disponibles en quantités suffisantes. Cependant, des minerais de chrome et de nickel sont nécessaires et peuvent être utilisés dans une usine sidérurgique intégrée où le métal chaud est disponible. Les procédés sont plus intensifs en capital que les autres procédés. Par conséquent, leur mise en œuvre dans d'autres usines et lieux est susceptible d'être limitée.