Optimisation de la qualité de la chaux pour la sidérurgie au convertisseur

Qualité de la chaux pour la sidérurgie au convertisseur

La chaux est un solide cristallin blanc avec un point de fusion de 2572 °C. C'est un oxyde basique utilisé pour réagir avec les oxydes acides (par exemple la silice). Il s'agit de l'oxyde de calcium (CaO) produit par le chauffage (calcination) du calcaire (CaCO₃) à une température de 900 °C et plus (généralement 1100 °C).

CaCO₃(s) + chaleur = CaO(s) + CO₂(g)

Cette réaction est réversible. L'oxyde de calcium réagit avec le dioxyde de carbone pour former du carbonate de calcium. La réaction est déplacée vers la droite par l'évacuation du dioxyde de carbone du mélange au fur et à mesure de sa libération.

La chaux hydratée Ca(OH)₂ est formée par la réaction de la chaux avec l'eau (extinction). La chaux hydratée est également connue sous le nom de chaux éteinte.

CaO + H₂O = Ca(OH)₂ + chaleur

La chaux, en tant que fondant basique dans la production d'acier, joue un rôle important dans la séquence des réactions métallurgiques qui se déroulent dans un convertisseur. L'acier est produit à partir de la fonte en oxydant le soufre (S), le phosphore (P), le carbone (C), le silicium (Si), le manganèse (Mn) et d'autres impuretés afin qu'elles passent dans la gangue ou les phases gazeuses, se séparant ainsi de la phase métallique. La chaux en sidérurgie est principalement utilisée pour produire une gangue permettant l'élimination de ces éléments nocifs dans le bain liquide et optimiser la qualité de l'acier liquide.

Procédé à l'oxygène basique et exigences de qualité

Le procédé à l'oxygène basique oxyde les impuretés dans un convertisseur à oxygène, également appelé fourneau à oxygène basique (FOB), où la fonte entre en contact avec l'oxygène. Les impuretés oxydées de la fonte sont absorbées dans une gangue, qui est formée avec l'aide de la chaux calcinée.

Dans les années 1950, la chaux métallurgique consistait en un mélange de particules de toutes tailles, des plus grossières aux plus fines, avec des composants additionnels tels que le dioxyde de silicium et le soufre concentrés dans les particules fines. La qualité de la chaux était évidemment moins importante à cette époque car le procédé au four à sole ouverte pour la fabrication de l'acier avait une période de fusion de 6 à 8 heures. Avec l'introduction du convertisseur à oxygène basique (FOB), le processus de sidérurgie s'est accéléré avec des périodes de soufflage d'oxygène de 18 à 20 minutes. Les vitesses des réactions se produisant dans le FOB sont très rapides. Puisqu'une grande quantité de chaux calcinée est chargée dans le convertisseur en peu de temps, une sélection rigoureuse de la qualité de la chaux est importante pour améliorer sa dissolution dans la gangue et faire face à la vitesse des réactions. Il est donc essentiel de prêter attention aux propriétés chimiques et physiques de la chaux.

Propriétés chimiques de la chaux

Une grande importance est accordée à la teneur en CaO de la chaux, qui doit être aussi élevée que possible mais en aucun cas inférieure à 90 %. La teneur en dioxyde de carbone doit être aussi faible que possible, ce qui est important pour l'équilibre thermique et pour des conditions de soufflage d'oxygène calmes dans le convertisseur. Le CO₂ dépend du degré de calcination lors de la production de la chaux et la limite supérieure pour la chaux tendre de qualité convertisseur est normalement de 1,5 % de CO₂.

La teneur en silice (SiO₂) de la chaux est très importante. Le SiO₂ est un oxyde acide et a une influence corrosive importante sur le revêtement réfractaire basique en magnésie-carbone du convertisseur. L'un des principaux objectifs de l'ajout de chaux dans le convertisseur est de neutraliser le SiO₂ produit par l'oxydation du Si présent dans la fonte et la ferraille. Toute introduction de SiO₂ par la chaux dans le convertisseur est contre-productive. Par conséquent, la teneur en SiO₂ de la chaux doit être aussi faible que possible. Idéalement, elle doit être inférieure à 1,0 %.

La teneur en oxyde de magnésium (MgO) de la chaux prend une importance croissante. Il existe une influence favorable de la chaux contenant du MgO sur la durée de vie du revêtement réfractaire du convertisseur. Certaines chaux métallurgiques utilisées dans le procédé au convertisseur ont une teneur en MgO d'environ 2 %.

La teneur en soufre de la chaux, qui limite la désulfuration dans le convertisseur, est importante. Dans certaines conditions, la teneur en soufre de la chaux peut entraîner une resulfuration croissante de l'acier. La teneur en soufre est d'une grande importance pour les aciers doux et à faible teneur en manganèse. Une teneur en soufre plus faible aide à contrôler la teneur en soufre dans l'acier. La teneur en soufre dans la chaux dépend du type de combustible utilisé pour la calcination, de la qualité du calcaire et des conditions de calcination. Normalement, le soufre dans la chaux calcinée doit être limité à 0,05 %. Une analyse typique de la chaux montre 0,025 % de soufre.

Une chaux correctement calcinée facilite la déphosphoration du bain liquide dans le convertisseur. L'introduction de phosphore par la chaux dans le convertisseur est contre-productive. Par conséquent, la teneur en P de la chaux doit être aussi faible que possible. Normalement, elle doit être inférieure à 0,03 %.

Propriétés physiques de la chaux calcinée

La taille de la chaux calcinée pour le procédé FOB de sidérurgie est très importante. Normalement, la chaux dans les fractions de taille entre 8 mm et 40 mm est utilisée dans le convertisseur car cela favorise sa dissolution dans le bain du convertisseur et aide à la formation de la gangue. Si la taille de la chaux est inférieure à 8 mm, la majorité de la fraction fine (inférieure à 8 mm) est entraînée avec les gaz d'échappement du convertisseur et crée des conditions favorables à la formation d'accrétions dans le chapeau. La limite admissible pour la fraction fine de chaux chargée dans le convertisseur est normalement d'environ 5 %.

La deuxième propriété physique de la chaux calcinée qui a une influence majeure sur la formation de la gangue pendant le procédé FOB est la réactivité de la chaux. La réactivité de la chaux est la propriété qui détermine sa dissolution plus rapide et sa plus grande capacité de réaction pour l'élimination des éléments nocifs du bain du convertisseur. Comme il n'est pas possible de déterminer la réactivité de la chaux dans l'acier liquide, elle est généralement déterminée dans l'eau en utilisant une procédure d'essai standardisée afin d'obtenir des résultats reproductibles.

La chaux calcinée obtient sa propriété de réactivité grâce à une bonne porosité qui se traduit par une grande surface spécifique. La grande surface spécifique a un effet favorable sur les réactions métallurgiques.

Si la chaux est sur-calcinée pendant sa production dans le four, les pores se ferment et il y a une réduction de la surface spécifique de la chaux et donc une perte de réactivité. De même, dans le cas de la chaux sous-calcinée, le noyau de la chaux n'est pas calciné. Une telle chaux contient du dioxyde de carbone résiduel (CO₂) et a donc une faible réactivité. La chaux sous-calcinée génère plus de fines lors de sa manutention. La réactivité de la chaux dépend de son homogénéité, du degré de décomposition thermique et de sa surface spécifique.

En raison de sa porosité élevée, la chaux calcinée est de nature hautement hygroscopique. La surface des morceaux de chaux capte l'humidité de l'air et s'hydrate. Lors de la manutention de la chaux, la surface hydratée tombe en poudre et expose une surface fraîche de chaux à l'humidité pour s'hydrater. Avec l'absorption d'humidité, la chaux perd sa réactivité. La chaux hydratée ne participe pas aux réactions dans le convertisseur qui se produisent à grande vitesse. Il est donc essentiel que la chaux calcinée soit consommée dans le convertisseur dans les plus brefs délais après sa production.

La méthode courante pour la détermination de la réactivité de la chaux est la titration avec de l'acide chlorhydrique (HCl) 4N. Dans cet essai, un échantillon de 12,5 g de chaux dans la gamme de taille de 1 mm à 3 mm est pris et une solution saturée est préparée avec 100 ml d'eau à 60 °C. Deux gouttes de réactif orange de méthyle sont ajoutées à cette solution. Ensuite, de l'acide HCl de concentration 4N (molaire) est ajouté goutte à goutte jusqu'à neutralisation complète. Le point final est connu par le changement de couleur de l'orange au rose. Le volume d'HCl utilisé pour la neutralisation est ensuite multiplié par 4 et la valeur est généralement appelée valeur de réactivité. Plus le volume d'HCl nécessaire pour la neutralisation est élevé, plus la réactivité de la chaux est élevée.

Caractéristiques physiques d'une bonne chaux calcinée

Les principales caractéristiques physiques de la chaux (Fig 1) qui a été correctement calcinée dans le four à chaux sont données ci-dessous.

• Elle a une faible densité apparente avec une valeur variant entre 1,5 t/m³ et 1,7 t/m³.
• Sa porosité est normalement élevée, autour de 50 %.
• Sa surface spécifique est supérieure à la surface géométrique. Elle se situe entre 1,5 m²/kg et 2,0 m²/kg.
• Ses cristaux minéraux sont petits.
• Sa réactivité doit être très élevée. Normalement, la valeur de réactivité est supérieure à 300 ml d'HCl 4N.
• Sa teneur en CO₂ résiduel est faible. La valeur est généralement inférieure à 2 %.
• Sa teneur en fines est faible. Habituellement, elle doit être inférieure à 5 %.

Fig 1 Caractéristiques de la chaux pour utilisation en convertisseur

Chaux et gangue de sidérurgie

La chaux est essentielle à la sidérurgie. Au début du soufflage, de la chaux calcinée et de la dolomie calcinée sont ajoutées, bien que parfois elles soient ajoutées progressivement tout au long de la chauffe. Le CaO de la chaux calcinée et le CaO + MgO de la dolomie calcinée réagissent avec les impuretés oxydées et l'oxyde de fer pour former une gangue. La gangue est ainsi composée de silicates, d'alumino-silicates, de ferrites et de phosphates complexes de calcium et de magnésium, etc. La formation d'une bonne gangue basique est essentielle pour garantir la qualité de l'acier. Les niveaux de basicité (CaO/SiO₂) sont normalement maintenus dans la plage 2,8 à 3,5.

Le terme basicité de la gangue est un moyen par lequel on détermine dans quelle mesure une gangue est acide ou basique par rapport au réfractaire basique utilisé dans le convertisseur. Si la gangue est plus acide, elle érodera les briques ; si elle est plus basique, elle les protégera. La basicité de la gangue est normalement fixée par la quantité de chaux et de dolomie calcinée ajoutée. Une valeur plus faible du ratio indique que la gangue est acide et, à mesure que le ratio augmente, la gangue devient de plus en plus basique.

Une chaux correctement calcinée avec une bonne basicité favorise la déphosphoration et la désulfuration, et facilite le processus de sidérurgie avec une réduction des projections. La répartition du soufre entre le bain et la gangue est meilleure avec une chaux correctement calcinée qu'avec une chaux sur-calcinée, même avec des gangues de même basicité. La même chose s'applique dans une moindre mesure pour la déphosphoration. Dans ce cas également, en particulier avec de faibles teneurs en oxyde de fer dans la gangue, les teneurs en phosphore dans l'acier sont réduites par l'utilisation de chaux correctement calcinée.

Avec l'utilisation d'une chaux correctement calcinée, il est possible de réduire les ajouts de chaux dans le convertisseur et ainsi d'avoir un meilleur contrôle de la gangue et des températures dans le convertisseur. Cela aide également à augmenter le rendement de l'acier liquide dans le convertisseur.