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Faire progresser la sidérurgie au four à arc électrique : innovations et meilleures pratiques

Développement de la technologie de sidérurgie au four à arc électrique

Le développement de la technologie de sidérurgie a lieu pour répondre à un certain nombre d'exigences. Ces exigences peuvent être classées en quatre groupes comme indiqué ci-dessous.

Pour comprendre le four à arc électrique (FAE), il est nécessaire de comprendre ce qu'est un arc électrique. Un arc électrique est une forme de décharge électrique entre deux électrodes, séparées par un petit espace (généralement de l'air normal). L'exemple le plus connu est la foudre. Quiconque a effectué du soudage à l'arc est également familier avec les arcs électriques. Si l'on connecte la pièce à travailler au côté négatif d'une source de courant continu et une électrode au côté positif, on touche l'électrode momentanément et on l'éloigne d'une petite distance de la pièce, alors un arc électrique stable se forme entre les électrodes et la pièce et la chaleur de cet arc est suffisante pour fondre l'électrode et souder les pièces ensemble. La même idée est utilisée à plus grande échelle dans un four à arc électrique.

Développements initiaux

L'histoire de la sidérurgie au four à arc électrique (FAE) n'est pas très vieille. Elle a à peine plus d'un siècle lorsque le premier fourneau a été mis en service pour fondre de l'acier en utilisant l'énergie électrique. Le développement initial de la technologie a eu lieu, car ces unités permettaient d'atteindre facilement les températures les plus élevées et assuraient les meilleures conditions pour la production de nuances d'acier allié de haute qualité et d'alliages. Depuis lors, de grandes avancées ont été réalisées dans l'équipement des fours, la technologie FAE, la pratique de fusion, les matières premières et les produits en acier. Les avancées dans la technologie FAE ont permis au FAE de concurrencer plus efficacement les usines intégrées employant la technologie du four à oxygène basique (FOB) de sidérurgie. Aujourd'hui, la sidérurgie au FAE a une contribution substantielle dans la production d'acier mondiale, bien qu'elle soit encore loin derrière la contribution de la production d'acier faite par la technologie dominante de FOB.

Au XIXe siècle, un certain nombre d'essais ont été faits pour employer un arc électrique pour la fusion du fer. Sir Humphry Davy a mené une démonstration expérimentale en 1810, le soudage a été étudié par Pepys en 1815, Pinchon a tenté de créer un four électrothermique en 1853, et en 1878-79, Carl Wilhelm Siemens a déposé des brevets pour des fours électriques de type arc.

De Laval avait breveté un four électrique pour la fusion et le raffinage du fer en 1892 et Paul Héroult avait démontré la fusion à l'arc électrique de ferro-alliages entre 1888 et 1892. La technologie émergente a été mise en usage commercial au début du XXe siècle lorsque la production à grande échelle d'énergie électrique relativement bon marché a commencé à ce moment. En 1906, le premier four à arc électrique de fusion aux États-Unis a été installé à l'usine Halcomb. Ce four à arc électrique Héroult « Old No. 1 » se dresse maintenant comme un monument historique désigné ASM (American Society for Materials) à Station Square à Pittsburgh, Pennsylvanie (Fig 1).

Faire progresser la sidérurgie au four à arc électrique : innovations et meilleures pratiques

Fig 1 Le premier four à arc électrique Héroult

Initialement, la sidérurgie au FAE a été développée pour produire des nuances spéciales d'aciers en utilisant des formes solides de charge telles que la ferraille et les ferro-alliages. Les matériaux solides étaient d'abord fondus par fusion directe à l'arc, raffinés par l'ajout des flux appropriés et coulés pour un traitement ultérieur. Les fours à arc électrique étaient également utilisés pour préparer le carbure de calcium pour une utilisation en morceaux de carbure. La technologie de la sidérurgie au FAE s'est maintenant développée d'un processus lent à un processus de fusion rapide qui fonctionne à un niveau qui approche le niveau de productivité d'un FOB.

Une coupe schématique transversale à travers un four de raffinage à arc Héroult est montrée à la Fig 2. Dans cette figure, E est une électrode (seulement une montrée), montée et descendue par l'entraînement à crémaillère et pignon R et S. L'intérieur est revêtu de briques réfractaires H, et K désigne le revêtement de fond. Une porte en A permet l'accès à l'intérieur. La coque du fourneau repose sur des bascules pour lui permettre d'être basculé pour la coulée.

Faire progresser la sidérurgie au four à arc électrique : innovations et meilleures pratiques

Fig 2 Four de raffinage à arc Héroult

Évolution de la technologie de sidérurgie au FAE

Depuis que le premier FAE industriel pour la sidérurgie est entré en exploitation, le développement a été rapide et il y a eu une augmentation de dix fois de la production de 1910 à 1920, avec plus de 500 000 tonnes d'acier produites par des FAE en 1920, bien que cela ne représentait encore qu'un très faible pourcentage de la production mondiale d'acier de cette époque. Les fours de première génération avaient une capacité entre 1 et 15 tonnes. Le FAE avait les convertisseurs Bessemer/Thomas et les fours Siemens-Martin (four à sole ouverte) comme concurrents forts, initialement. Mais sa niche était la production d'aciers spéciaux nécessitant des températures élevées, la fusion de ferro-alliages et de longs temps de raffinage.

Le FAE est une phase par défaut dans le processus de fabrication de l'acier. Au fil des ans, le FAE a évolué dynamiquement et a adopté des méthodes efficaces, compétitives et durables dans le processus et la production mondiale d'acier du FAE augmente. De nombreux pays qui ne peuvent pas produire de fer par la voie traditionnelle, c'est-à-dire la voie HF-FOB, s'adaptent à la voie FAE de sidérurgie. L'une des principales raisons pour ces pays d'adopter la voie FAE de sidérurgie est la non-disponibilité des charbons cokéfiables et la disponibilité facile d'énergie à faible coût en raison de l'accessibilité de carburant bon marché. L'usine sidérurgique utilisant la technologie FAE pour la production d'acier est connue sous le nom de mini-usines et cette industrie est le plus grand recycleur de ferraille d'acier.

Alors que les FAE étaient largement utilisés pendant la Seconde Guerre mondiale pour la production d'aciers alliés, ce n'est que plus tard que la sidérurgie électrique a commencé à s'étendre. Le faible coût en capital pour une mini-usine a permis d'établir rapidement des usines dans un scénario mondial ravagé par la guerre, et leur a également permis de concurrencer avec succès les grands sidérurgistes pour les « produits longs » à faible coût en acier au carbone (acier de construction, barres et fils, et fils machine) sur le marché.

Lorsque Nucor, maintenant l'un des plus grands producteurs d'acier aux USA, a décidé d'entrer sur le marché des produits longs en 1969, ils ont choisi de démarrer une mini-usine, avec un FAE comme fourneau de sidérurgie, bientôt suivi par d'autres fabricants. Alors que Nucor s'étendait rapidement dans l'est des USA, les organisations qui les ont suivis dans les opérations de mini-usines se sont concentrées sur les marchés locaux pour les produits longs, où l'utilisation d'un FAE permettait aux usines de varier la production selon la demande locale. Ce modèle a également été suivi globalement, avec la production d'acier au FAE principalement utilisée pour les produits longs, tandis que les usines intégrées, utilisant la voie de production HF-FOB, se concentraient sur les marchés des « produits plats » (tôle d'acier, bande, et tôle épaisse, etc.). En 1987, Nucor a pris la décision de s'étendre sur le marché des produits plats, en utilisant toujours la méthode de production FAE.

L'augmentation de la production et de la technologie FAE à travers le monde a été due aux raisons suivantes.

La croissance de la sidérurgie au FAE a été accompagnée de plusieurs améliorations technologiques qui ont permis de grandes diminutions des besoins en énergie et des améliorations de l'efficacité énergétique, de la productivité du fourneau et de l'environnement de travail dans l'atelier de fusion d'acier. Ces améliorations technologiques ont fourni plusieurs avantages aux opérations FAE, qui incluent entre autres, une exploitation stable de l'arc électrique, une faible consommation d'énergie, une faible consommation d'électrodes, moins de ruptures d'électrodes, une force plus faible appliquée aux électrodes et aux bras porteurs d'électrodes, et moins de perturbations du réseau.

Le processus de sidérurgie au FAE dépendait uniquement de l'énergie électrique jusqu'à ce que les énergies chimiques deviennent supplémentaires pour réduire le coût de conversion grâce à une productivité améliorée du FAE. Cependant, la gestion efficace de l'énergie électrique et chimique se fait en combinant un contrôle dynamique efficace de l'arc électrique avec une injection équilibrée d'oxygène et de carbone afin d'augmenter la productivité du FAE. Les usines FAE utilisent souvent un mélange de fer réduit direct (FRD) / fer briqueté à chaud (FBC) / FRD chaud et de charges d'acier recyclé et de matériaux à base de carbone comme agents de moussage de scories et comme carburants. Selon les exigences sur la réduction de la consommation d'énergie et des émissions de gaz à effet de serre, l'anthracite traditionnelle et le coke métallurgique sont remplacés par des matériaux à base de carbone et maintenant les sources de carbone alternatives comme les pneus en caoutchouc en fin de vie et les plastiques recyclés remplacent également partiellement les matériaux de carbone conventionnels.

Améliorations dans les conceptions de FAE

De nombreuses améliorations technologiques dans la conception des FAE ont été faites pour la réduction des temps coulée-à-coulée. Ces améliorations incluaient les suivantes.

Développements majeurs dans la technologie FAE

Quelques-unes des principales améliorations technologiques au cours des quarante dernières années sont données ci-dessous.

FAE avec pneus en caoutchouc et plastiques

Une étude menée par l'usine sidérurgique de Sydney de One Steel en collaboration avec UNSW dans des essais en laboratoire sur l'utilisation de pneus en caoutchouc dans la sidérurgie au FAE pour l'optimisation des scories moussantes a développé et commercialisé un système d'ingénierie par des essais en usine pour les FAE pour injecter des mélanges de caoutchouc provenant de pneus en fin de vie et de coke dans le FAE comme agents de moussage de scories. La méthode a entraîné des avantages comme l'augmentation du volume et de la mousse des scories, incluant une efficacité énergétique électrique améliorée due à un arc plus long et un transfert de chaleur amélioré de l'arc vers l'acier, ainsi qu'une diminution des pertes de chaleur à travers les scories et les parois latérales. Alors que les sidérurgistes au FAE utilisant la technologie d'injection de polymères (TIP) peuvent également s'attendre à voir des améliorations dans le rendement, la consommation d'oxygène injecté, la consommation de réfractaires et d'électrodes, et l'usure du système d'injection. La technologie d'injection de caoutchouc (TIC) est devenue un processus standard aux usines FAE de Sydney et Laverton de One Steel et a atteint des jalons significatifs avec 40 720 coulées avec injection de caoutchouc, 13 721 tonnes de coke réduites – substituées et réduction de l'injection due au contrôle du FeO et au calibrage constant, et 1 128 486 pneus passagers équivalents utilisés. L'acier vert résultant de vieux pneus en caoutchouc et de plastiques ne produit aucun déchet ni fumées toxiques.

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