Matériaux essentiels pour la production d'acier en convertisseur à oxygène basique

Matériaux nécessaires pour la production d'acier en convertisseur à oxygène basique (LD)

Les types de matériaux suivants sont requis pour la production d'acier liquide dans le processus de conversion à l'oxygène basique (LD) (Fig 1) :

• Matières premières de base : fonte liquide, ferraille, chaux, etc.
• Matières premières secondaires : désoxydants, carburants.
• Gaz auxiliaires : oxygène, azote, argon, etc.
• Réfractaires et matériaux réfractaires : matériaux de revêtement, de gunitage, de rechargement.
• Sondes consommables : sondes température, sondes prélèvement.
• Eau de refroidissement : pour la lance à oxygène et les gaz d'échappement.

Fig 1 Matériaux nécessaires pour la production d'acier en convertisseur LD

Matières premières de base

Elles comprennent : (i) fonte liquide du haut fourneau, (ii) ferraille d'acier et/ou toute autre source de fer métallique, (iii) minerai de fer, (iv) fondants. La ferraille, chargée depuis une boîte à ferraille, est le premier matériau chargé dans le convertisseur. La fonte est ensuite versée depuis la poche de chargement, puis le soufflage d'oxygène commence. Les fondants, généralement en morceaux, sont chargés via un système de bennes après le début du soufflage. Ils peuvent aussi être injectés en poudre par les tuyères de fond. Composition et quantités varient selon les ateliers, selon disponibilité et économie du processus.

Fonte liquide (fer liquide)

Source primaire d'unités fer et d'énergie. Reçue des hauts fourneaux en poches ouvertes ou torpilles. Pour poches ouvertes, versée dans un mélangeur de fonte pour maintien température avant usage au convertisseur. Composition chimique variable, mais typiquement : 3,8-4,5% C, 0,5-1,5% Si, 0,25-1,5% Mn, 0,05-0,15% P, 0,03-0,08% S.

Le soufre peut être réduit à 0,001% en usine de désulfuration de fonte. Composition dépend pratique et charge haut fourneau. Régime froid → baisse Si, hausse S. P haut fourneau élevé → P fonte élevé.

C et Si = principaux apporteurs d'énergie. Si fonte influence quantité ferraille chargeable : Si élevé → plus chaleur par oxydation → plus ferraille. Si influence aussi volume laitier, donc consommation chaux et rendement fer.

Fonte généralement saturée en C. Concentration C dépend température et concentration autres éléments (Si, Mn). C augmente avec température et Mn, diminue avec Si.

Température et teneur C de la fonte au moment du chargement sont critiques pour le contrôle process. Température mesurée dans la poche avant chargement : typiquement 1300-1350°C.

Désulfuration favorisée à haute température et bas potentiel oxygène. Présence C et Si augmente activité S → favorise désulfuration. Donc bas potentiel O₂ + C et Si élevés = conditions favorables pour retirer S de la fonte plutôt que de l'acier dans le convertisseur. Toute la fonte n'est pas désulfurée. Seule celle pour nuances acier à specs S strictes. Réactifs désulfurants → S jusqu'à 0,001%, typiquement 0,004-0,005%. Crucial : éliminer efficacement le laitier post-désulfuration (riches en S) par écrémage. Tout laitier reporté au convertisseur (mauvaises conditions désulfuration) → reprise S dans acier liquide.

Pesée fonte : sur balance avant coulée dans convertisseur. Poids précis vital → erreur = problèmes chimie/température/taille de chauffe au convertisseur. Entrée clé pour modèle de charge statique.

Ferraille

Deuxième source d'unités fer après fonte. Fer/acier recyclé : généré en interne (coupes CCM, ferraille laminage, récupération déchets atelier, maintenance) ou acheté à l'extérieur.

Important : charger types de ferraille corrects en quantités justes pour respecter mélange ferraille dans la boîte. Boîte pesée pour quantité exacte. Mélange et poids = paramètres critiques ; sinon performance au convertisseur affectée.

Généralement : ferraille légère devant, lourde derrière dans la boîte. Basculement → légère tombe première sur revêtement réfractaire → minimise impact/dommages. Ferraille lourde plus difficile à fondre → placée dessus, près zone impact jet O₂ → fond plus vite. Pièces trop grosses → cisaillées, découpées chalumeau, ou lances O₂. Pièces fines/petites (cisaillements, chutes) → compressées en balles (presses hydrauliques). Grosse/lourde = plus difficile à fondre. Ferraille non fondue → problèmes contrôle process (températures hautes ou chimies manquées à l'affinage).

Soufflage combiné améliore significativement mélange et fonte grosses pièces. Certains éléments dans ferraille (Cu, Mo, Sn, Ni) introduits au convertisseur → non oxydables, non éliminables au soufflage → se dissolvent uniformément dans bain liquide. Autres (Al, Si, Zr) → oxydés complètement, incorporés au laitier. Intermédiaires (P, Mn, Cr) → répartition métal/laitier. Zn, Pb → éliminés mostly en vapeur. Ateliers typiques : 10-35% charge métallique = ferraille, selon conditions locales/économie. Ratio ferraille/fonte dépend : Si, C, T° fonte, lance post-combustion.

Fer réduit direct (FRD / DRI)

Utilisé comme réfrigérant et source fer. FRD typique : 89-94% Fe total (~88-96% métallisation), 0,1-4% C, 2,8-6% Al₂O₃+SiO₂ combinés, 3-8% FeO, faibles CaO/MgO. P : 0,005-0,09%, S : 0,001-0,03%, N faible (<20 ppm).

Alimenté en morceaux ou briquettes (~25-30 mm). Briquettes passivées (éliminer combustion spontanée) pour manutention aisée. Chargé via système de bennes.

Fonte en gueuse (pig iron)

Source unités fer. Nécessite chaleur pour fondre, puis se comporte comme fonte. Chargée par boîte à ferraille avec mélange.

Minerai de fer

Généralement en morceaux, chargé comme réfrigérant et substitut ferraille. Teneurs résiduelles (Cu, Zn, Ni, Mo) plus faibles que ferraille. Effet réfrigérant ≈ 3x ferraille. Réduction oxyde fer endothermique → plus fonte, moins ferraille requises. Charger tôt dans le soufflage (C bain élevé) pour réduire efficacement oxyde fer. Réduction → gaz significatif → moussage laitier + risque débordement (slopping). Ajout tardif → effet néfaste rendement fer + chimie laitier fin. Si utilisé seulement comme réfrigérant juste avant vidange → laitier sur-oxydé/fluide → report laitier en poche. Délai réaction refroidissement minerai non réduit → chute brutale T° ou réaction violente poche → sur-oxydation acier.

Calamine (mill scale)

Utilisable comme réfrigérant en quantités adaptées. Très efficace pour augmenter ratio fonte/ferraille. Mais cause fort slopping. Calamine + ajouts oxydes fer → réduits pendant soufflage principal → libèrent Fe + O₂. O₂ additionnel → décarburation accélérée → réaction globale plus rapide. Slopping probable : volume laitier accru (plus fonte = plus Si+C → plus SiO₂+CO) + taux réaction accru.

Chaux vive (calcined lime)

Consommation dépend : Si fonte, ratio fonte/ferraille, teneurs S/P initiales (fonte) et finales (acier visé). Produite par calcination calcaire. Qualité requise décrite article séparé (lien).

Grande quantité chargée en peu de temps → sélection qualité critique pour dissolution rapide dans laitier. Petits morceaux + forte porosité = réactivité élevée + formation laitier rapide. Problèmes qualité fréquents : cœurs non calcinés, hydratation, excès fines, réactivité trop faible.

Dolomie calcinée

Chargée avec chaux pour saturer laitier en MgO, réduire dissolution MgO des réfractaires four dans laitier. Typique : 36-40% MgO, 54-58% CaO. Ajout doit maintenir MgO laitier > limite saturation. MgO > saturation = laitier moins corrosif, réduit/élimine attaque chimique laitier sur réfractaires.

Parfois dolomie brute ajoutée directement : réfrigérant + source MgO mais effet différé (calcination dans convertisseur). Chauffage → réaction endothermique calcination → chute T° convertisseur.

Dolomie calcinée aussi pour conditionnement laitier avant gunitage laitier (slag splashing). Chimie et granulométrie dolomie à contrôler.

Calcaire / dolomie brute comme réfrigérant

Parfois utilisés comme réfrigérant plutôt que fondant. Calcaire fréquent pour refroidir bain si T° affiage > visée. Chauffage → calcination endothermique (CaO + CO₂) → chute T°. Ampleur chute dépend taille chauffe + état laitier. Ex. : chauffe 150 t, 1 t calcaire → chute ~12°C.

Fluorure de calcium / spath fluor (CaF₂)

Fluidifiant laitier → réduit viscosité. Favorise dissolution rapide chaux en dissolvant couche dicalcique silicate (2CaO·SiO₂) autour particules chaux qui retarde dissolution. Utilisé très parcimonieusement aujourd'hui : attaque corrosive forte sur tous réfractaires (convertisseur + poche coulée). Fluorures → acides forts système récupération gaz → corrosion pièces structurelles + émissions indésirables.

Matières premières secondaires

Désoxydants et carburants. Ajoutés normalement en poche de coulée pendant vidange convertisseur.

Désoxydation

Dernière étape sidérurgie. Bain acier à la vidange contient 400-800 ppm activité O₂. Désoxydation pendant vidange par ajout en poche quantités appropriées ferro-alliages ou désoxydants spéciaux.

Désoxydants = ferro-alliages en vrac : ferro-silicium, silico-manganèse, ferro-manganèse. Utilisés pour désoxydation + introduction éléments d'alliage. Voie la plus économique pour alliages. Ferro-alliages confèrent qualités distinctes aux aciers.

Ajoutés aussi pour contrôle taille grain + amélioration propriétés mécaniques. Selon processus sidérurgie et nuance acier, besoins ferro-alliages varient largement. Ajout ferro-alliages → résistance corrosion/oxydation, trempe, résistance traction haute T°, usure/abrasion (avec C), fluage, etc. Inputs vitaux pour tous aciers. Matières premières aciers alliés/inoxydables.

Recarburation

Si C fin soufflage < specs, recarburation par ajout contrôlé carburants en poche. Carburants courants : coke breeze, coke de pétrole. Attention : gros ajouts → effet néfaste T° acier liquide.

Gaz auxiliaires

Lance réfrigérée à eau injecte O₂ très haute vélocité sur bain liquide. Demandes croissantes aciers haute qualité (bas impuretés) → O₂ très haute pureté. O₂ sidérurgie : ≥99,5% pur, idéal 99,7-99,8%. Reste : 0,005-0,01% N₂, reste Ar.

Dans convertisseur LD, O₂ jeté vélocités supersoniques (Mach>1) buses convergentes/divergentes (Laval) bout lance réfrigérée. Jet puissant pénètre laitier, impacte surface bain métallique pour raffiner acier. Aujourd'hui maioria convertisseurs : pointes lance 4-5 buses, débits 640-900 Nm³/min.

Azote (N₂)

Soufflage combiné + gunitage laitier (slag splashing). N₂ pour améliorer mélange bain : soufflé par tuyères fond ou éléments perméables. Brassage bain par N₂ dans gamme haut C du bain. Débits fond typiques <0,2 Nm³/t·min. Pratique : N₂ introduit fond premiers 60-80% soufflage O₂. Évolution rapide CO début soufflage empêche reprise N₂ dans acier.

N₂ aussi pour gunitage laitier conditionné sur parois convertisseur après vidange → couche protectrice laitier sur réfractaires.

Argon (Ar)

Soufflage combiné. Ar pour améliorer mélange bain : soufflé par tuyères fond/éléments perméables. Brassage par Ar dans gamme bas C du bain. Débits fond <0,2 Nm³/t·min. Pratique : Ar introduit fond derniers 20-40% soufflage O₂.

Réfractaires et matériaux réfractaires

Trois types pour convertisseur LD : briques basiques (généralement magnésio-carbone MgO-C), composé gunitage base magnésie pour zones endommagées, matériau rechargement (briques usagées cassées) pour fond érodé. Détails article lien.

Sondes consommables

Sondes jetables : prélèvement acier analyse post-soufflage, mesure T° fonte poche chargement, T° acier liquide convertisseur post-soufflage.

Eau de refroidissement

Nécessaire pour : refroidissement lance O₂ + buses, refroidissement gaz échappement.

Lance : empêche combustion lance. Buse cuivre + lance acier refroidies eau recirculée ~6 kg/cm². Canaux refroidissement : eau centre buse → sortie tube externe lance. Vitesse max eau zone buse (températures max). Débit maintien taux conception. T° sortie eau ≤60-65°C.

Gaz CO riche sortant convertisseur : refroidi indirectement hotte convertisseur (eau ou système refroidissement évaporatif ECS) : 1600-1700°C → ~900°C. ECS → eau déminéralisée (récupération chaleur = vapeur).

Parfois cône supérieur convertisseur refroidi à eau. Deux composants bénéficient : coque conique + anneau lèvre coin supérieur cône.

Qualité eau paramètre important. Eau contaminée oxydes/boues → dépôts intérieurs tuyaux → effet négatif transfert chaleur.