Désoxydation de l'acier

Désoxydation de l'acier

  Le processus de fabrication de l'acier consiste à affiner le métal chaud en acier sous atmosphère oxydante. Au cours du processus de raffinage, l'oxygène se dissout dans l'acier. Voici les principales sources d'oxygène dans l'acier.

• Soufflage d'oxygène
• Utilisation de scories oxydantes et de minerai de fer pendant les processus de fabrication de l'acier
• Captage de l'oxygène atmosphérique par l'acier liquide lors de l'opération de gavage
• Réfractaires oxydants du revêtement
• Ferraille rouillée et humide.

La désoxydation est la dernière étape de la fabrication de l'acier. Lors de la fabrication de l'acier, le bain d'acier au moment du taraudage contient de 400 à 800 ppm d'activité d'oxygène. La désoxydation est effectuée pendant la coulée en ajoutant dans la poche de coulée des quantités appropriées d'alliages ferreux ou d'autres désoxydants spéciaux. Si en fin de soufflage la teneur en carbone de l'acier est inférieure aux spécifications, l'acier liquide est également recarburé dans la poche de gavage. Cependant, des ajouts importants dans la poche de coulée ont un effet néfaste sur la température de l'acier liquide.

La solubilité de l'oxygène dans l'acier est négligeable. Lors de la solidification de l'acier en fusion, l'excès d'oxygène est rejeté par l'acier qui se solidifie. La solubilité de l'oxygène dans l'acier liquide est de 0,23 % à 1 700 deg C. Elle diminue pendant le processus de refroidissement, puis chute fortement pendant la solidification de l'acier liquide atteignant 0,003 % dans l'acier solide.

L'excès d'oxygène libéré de la solution solide oxyde les composants de l'acier tels que le C, le Fe et les éléments d'alliage, ce qui entraîne des soufflures et des inclusions non métalliques piégées dans la structure en acier coulé. Les soufflures et les inclusions ont un effet considérable sur les propriétés mécaniques et ont un impact négatif sur la qualité de l'acier.

Afin d'empêcher l'oxydation des composants en acier pendant la solidification, la teneur en oxygène de l'acier liquide doit être réduite. Cela se fait par désoxydation de l'acier qui est une opération technologique de fabrication de l'acier, dans laquelle la concentration (activité) de l'oxygène dissous dans l'acier liquide est réduite à un niveau requis. En plus de la production d'acier sain en éliminant les soufflures et en minimisant les inclusions non métalliques, la désoxydation est également utilisée pour le contrôle de la taille des grains afin d'améliorer la ténacité de l'acier

Plusieurs stratégies ont été développées pour la désoxydation de l'acier. Cela peut être accompli en ajoutant des agents désoxydants métalliques à l'acier liquide avant ou après son taraudage, ou par traitement sous vide, dans lequel le carbone dissous dans l'acier est le désoxydant. Outre la désoxydation par des désoxydants métalliques et la désoxydation sous vide, une autre méthode de désoxydation, à savoir la désoxydation par diffusion, est parfois utilisée.

Selon le degré de désoxydation, il existe quatre types de désoxydation allant de complètement désoxydé à légèrement désoxydé. Aucun des différents types n'est meilleur que l'autre, mais que chacun est utile à son propre égard. Selon le degré de désoxydation, les aciers au carbone peuvent être subdivisés en quatre groupes.

• Acier pour jante – Ces aciers sont des aciers à faible teneur en carbone partiellement désoxydés ou non désoxydés dégageant une quantité suffisante de monoxyde de carbone lors de la solidification. Les lingots d'aciers cerclés se caractérisent par une bonne qualité de surface et une quantité considérable de soufflures. Les aciers cerclés sont généralement taraudés sans avoir fait des ajouts de désoxydants à l'acier dans le four ou seulement de petits ajouts à l'acier liquide dans la poche de coulée, afin d'avoir suffisamment d'oxygène présent pour donner le dégagement de gaz souhaité en réagissant dans le moule avec du carbone . Les procédures exactes suivies dépendent du fait que l'acier a une teneur en carbone dans les plages supérieures (C =0,12 % à 0,15 %) ou dans les plages inférieures (C =0,10 % max). Lorsque l'acier liquide dans la lingotière commence à se solidifier, il y a un dégagement rapide de gaz de monoxyde de carbone (CO), ce qui donne une peau externe de lingot d'acier relativement propre à faible teneur en carbone et autres solutés. Ces lingots sont les mieux adaptés à la fabrication de tiges d'électrodes et de tôles d'acier.
• Acier coiffé :la pratique de l'acier coiffé est une variante de la pratique de l'acier de rebord. L'action de rebord peut commencer normalement, mais se termine ensuite après une minute ou plus en scellant le moule avec un capuchon en fonte. Cette pratique est généralement appliquée dans les aciers à teneur en carbone supérieure à 0,15 %. La pratique du lingot coiffé trouve généralement une application dans la production de feuilles, de bandes, de fils et de barres.
• Aciers semi-apaisés :ces aciers sont des aciers incomplètement désoxydés contenant une certaine quantité d'oxygène en excès, qui réagit avec le carbone en formant une quantité suffisante de monoxyde de carbone lors de la solidification de l'acier liquide pour contrebalancer le retrait de solidification. Ces aciers ont généralement une teneur en carbone comprise entre 0,15 % et 0,30 % et trouvent une large application dans les formes structurelles
• Acier calmé – Ces aciers sont désoxydés à un point tel qu'il n'y a ni formation ni dégagement de monoxyde de carbone lors de la solidification. Les lingots et les pièces moulées en acier calmé ont une structure homogène et aucune porosité de gaz (soufflures). L'aluminium est utilisé pour la désoxydation, ainsi que les alliages ferreux de manganèse et de silicium. Dans certains cas, du siliciure de calcium ou d'autres désoxydants forts spéciaux sont utilisés. Afin de minimiser la tuyauterie, presque tous les aciers calmés sont coulés dans des moules à grande extrémité à chaud. Pour la coulée continue, l'acier liquide doit être entièrement tué pour une coulée sans défaut. Les aciers calmés sont généralement utilisés lorsqu'une structure homogène est requise dans les aciers finis. Les aciers alliés, les aciers de forge et les aciers pour cémentation sont de ce type, lorsque la qualité essentielle est la solidité. Lors de la production de certains aciers à emboutissage extra profond, un acier à faible teneur en carbone (C =0,12 % max) est tué, généralement avec une quantité substantielle d'aluminium qui est ajoutée dans la poche, dans le moule ou les deux. Bien que la désoxydation de l'acier par l'aluminium supprime la formation de monoxyde de carbone pendant la solidification, et donc supprime les soufflures, il existe de nombreuses opérations de traitement de l'acier où la destruction de l'acier par l'aluminium n'est pas souhaitable.

Il existe principalement trois éléments utilisés dans la désoxydation de l'acier. Ce sont le manganèse (Mn), le silicium (Si) et l'aluminium (Al). Le manganèse et le silicium sont ajoutés sous forme d'alliages ferreux à haute teneur en carbone ou à faible teneur en carbone ou sous forme d'alliage silico-manganèse (Si-Mn). L'aluminium qui est ajouté pour la désoxydation a un niveau de pureté d'environ 98 %. Parfois, le calcium (Ca) est également utilisé pour la désoxydation.

Le calcium est le désoxydant le plus efficace et Si n'est pas aussi efficace que Ca. Al est également un élément désoxydant fort par rapport à Si. Bien que Ca et Al soient des désoxydants très efficaces, ils s'oxydent très rapidement et de plus, leur densité est bien inférieure à celle de l'acier. De plus, Ca a un point d'ébullition de 1485 degrés C, ce qui signifie que Ca est en phase gazeuse à la température de fabrication de l'acier. Des méthodes d'injection ou d'addition appropriées sont nécessaires pour la désoxydation avec Ca.

La désoxydation peut être effectuée soit par un seul élément tel que Si, Al, Mn, etc., soit par un mélange d'éléments tels que Si + Mn, Ca-Si-Al, etc. La désoxydation par un seul élément est appelée désoxydation simple.

Alors que la désoxydation par un mélange d'éléments est connue sous le nom de désoxydation complexe. Dans la désoxydation simple et complexe, un oxyde se forme; c'est pourquoi on l'appelle également désoxydation par précipitation. La désoxydation est également réalisée par le charbon sous vide; qui est appelée désoxydation sous vide. Les éléments sont ajoutés sous forme de ferroalliages Fe-Si, Fe-Mn ou Fe-Si + Fe-Mn, etc. Dans la désoxydation complexe où un mélange de Si + Mn, Ca + Si, Ca + Si + Al est utilisé, ce qui suit les avantages sont rapportés par rapport à un simple.

• L'oxygène dissous est plus faible.
• En raison de la formation de produit de désoxydation liquide, l'agglomération du produit en grande taille peut être obtenue facilement et peut flotter facilement.

Désoxydation avec Fe-Mn

Lorsque l'acier est partiellement désoxydé avec Mn, le fer participe également aux réactions, formant du Mn (Fe) O liquide ou solide comme produit de désoxydation.

[Mn] + [O] =MnO

[Fe] + [O] =FeO

L'état d'équilibre de l'acier avec le produit de désoxydation Mn (Fe) O est représenté sur la figure 1.

Fig 1 Teneurs en manganèse et en oxygène du fer en équilibre avec une solution liquide ou solide FeO - MnO

  Désoxydation avec Si et Mn

La désoxydation par Si est beaucoup plus complète que celle par Mn et la désoxydation simultanée par ces deux éléments donne beaucoup moins d'oxygène résiduel en solution, du fait d'une activité Si réduite. Selon la concentration de Si et de Mn ajoutée à l'acier dans la poche de coulée, le produit de désoxydation sera soit du silicate de manganèse fondu (MnO.SiO2) soit de la silice solide (SiO2).

[Si] + 2[O] =SiO2        (1)

[Mn] + [O] =MnO      (2)

L'une des premières études pionnières sur les équilibres de réaction laitier-métal est celle attribuée à Korber et Oelsen pour leur mesure de la distribution d'équilibre de Mn et Si entre le fer liquide et le laitier MnO-FeO-SiO2 saturé en SiO2. Les résultats de leurs expériences à 1 600 ± 10 deg C sont illustrés à la Fig 2.

Fig 2 Concentration de Mn, Si et O dans du fer liquide équilibré avec SiO2. Le silicate de manganèse saturé fond à 1600 ± 10 deg C

Désoxydation avec Si, Mn et Al

Les aciers semi-apaisés avec de l'oxygène dissous résiduel dans la plage de 40 à 23 ppm sont fabriqués en désoxydant l'acier dans la poche de coulée avec l'ajout d'une petite quantité d'aluminium avec du silico-manganèse ou une combinaison de ferrosilicium et de ferromanganèse. Dans ce cas, le produit de désoxydation est un aluminosilicate de manganèse liquide ayant une composition similaire à 3MnO.Al2O3.SiO2. Avec un petit ajout d'aluminium, par ex. environ 15 kg pour 100 t de chaleur avec Si/Mn presque tout l'aluminium est consommé dans cette désoxydation combinée avec Si et Mn. L'aluminium résiduel dissous dans l'acier sera inférieur à 10 ppm. Les équilibres de désoxydation avec Si et Mn par rapport à Al, Si et Mn pour le produit de désoxydation saturé en Al2O3 sont illustrés à la Fig 3.

Fig 3 Équilibres de désoxydation avec Si et Mn comparés à Al, Si et Mn pour le produit de désoxydation saturé en Al2O3

  Désoxydation avec Al

L'aluminium est un désoxydant très efficace qui est utilisé dans la plupart des opérations sidérurgiques. Habituellement, la désoxydation de l'aluminium est effectuée en poche de coulée. Dans certains cas, les apports d'Al se font également dans le moule lors de la coulée en lingotière ou continue. Les relations d'équilibre apparentes pour les produits de désoxydation :Al2O3 pur et aluminate de calcium fondu avec un rapport CaO/Al2O3 de 1 sont illustrées à la figure 4.

Fig 4 Désoxydation avec Al en équilibre avec Al2O3 ou aluminate de calcium liquide avec CaO/Al2O3 valant 1

Lorsque l'acier calmé à l'Al est traité avec du Ca-Si, les inclusions d'alumine sont converties en aluminate de calcium fondu. Pour le rapport CaO/Al2O3 de 1, l'activité de Al2O3 est de 0,064 par rapport à Al2O3 pur à des températures comprises entre 1 500 et 1 700 deg C.