Prévention de la formation d'écailles dans les fours de réchauffage : Stratégies clés pour l'efficacité du laminage de l'acier

Formation d'écailles dans le four de réchauffage

Les fours de réchauffage constituent un élément important dans le laminage des aciers, dans lesquels les produits d'acier semi-finis sont chauffés à une température désirée pour atteindre les propriétés plastiques dans les produits pour le laminage. Les objectifs de base du chauffage des produits d'acier semi-finis pour le laminage incluent : (i) ramollir l'acier pour le rendre approprié au laminage, et (ii) fournir une température initiale suffisamment élevée pour que le processus de laminage soit complété dans la région de température entièrement austénitique.

Pendant le réchauffage dans le four de réchauffage, l'acier est passé à travers le fourneau le long duquel la température est progressivement augmentée jusqu'à la zone de trempe. Là, la température est maintenue constante pour l'homogénéité thermique et chimique de l'acier. Le four de réchauffage est un four à feu direct qui utilise soit du combustible gazeux, liquide ou solide et de l'air. La composition de l'atmosphère à l'intérieur du fourneau consiste généralement principalement en azote (N₂), dioxyde de carbone (CO₂), vapeur d'eau (H₂O) et oxygène libre (O₂). La composition de l'atmosphère peut varier drastiquement pendant l'opération. Ces variations sont fonction du ratio air/combustible, qui à son tour dépend des conditions d'exploitation du fourneau et du laminoir.

Le four de réchauffage pour le réchauffage de l'acier est conceptuellement divisé en trois zones. En partant de l'extrémité de déchargement du four de réchauffage, ces zones sont : (i) zone de trempe, (ii) zone(s) de chauffage, et (iii) zone de préchauffage. Dans la zone de trempe, le combustible et l'air sont tirés à travers les brûleurs du fourneau à la stœchiométrie primaire du combustible normale ou réduite. Cette zone a une température de fourneau élevée. La température de l'acier est égalisée à travers sa section transversale dans cette zone. Les gaz d'échappement de cette zone voyagent vers les zones de chauffage. Les zones de chauffage, qui sont entre la zone de préchauffage et la zone de trempe, nécessitent un transfert de chaleur radiant élevé pour augmenter la température de surface de l'acier jusqu'à environ la température de laminage. L'enrichissement en O₂ de l'air de combustion dans ces zones favorise le transfert de chaleur et diminue les flux volumétriques de gaz du fourneau, avec le résultat bénéfique d'une productivité et d'une efficacité thermique accrues. Dans la zone de préchauffage, le flux de gaz des zones précédentes fournit de la chaleur à l'acier entrant principalement par convection. De l'air additionnel est ajouté au début de cette zone ou à la fin de la zone de chauffage pour brûler tous les restes de combustible. La chaleur sensible des gaz d'échappement est récupérée par transfert de chaleur à l'acier ou dans le récupérateur. La vitesse des gaz dans cette zone doit être aussi basse que possible pour que plus de temps de résidence soit fourni pour le transfert de chaleur à l'acier.

Pendant le chauffage de l'acier dans le four de réchauffage, les surfaces d'acier chaudes réagissent avec l'atmosphère oxydante du fourneau, résultant en la formation d'une couche d'oxydes de fer connue sous le nom d'écaille. La perte de rendement due à ce phénomène peut varier de 1,0 % à 3 % de l'acier réchauffé.

Conséquences et mécanismes de la formation d'écailles

L'oxydation de l'acier pour former de l'écaille est une conséquence fondamentale et, généralement, inévitable du processus de réchauffage dans un four de réchauffage. Les conséquences majeures de la formation d'écailles sont les pertes économiques significatives encourues dans deux domaines principaux : (i) perte de rendement de l'acier sous forme d'oxydes de fer, et (ii) perte de produit de qualité première par surface défectueuse causée par des défauts d'écailles laminées ou surfaces rugueuses. L'écaille constitue une perte d'acier précieux.

La formation d'écaille est une réaction complexe qui se produit dans le four de réchauffage. Les morphologies et microstructures qui se développent pendant le chauffage de l'acier dans le traitement au four de réchauffage sont considérablement modifiées par la formation et la transformation d'écailles.

La quantité de formation d'écaille pendant le réchauffage de l'acier dans le four de réchauffage dépend de plusieurs facteurs. Ces facteurs incluent : (i) la composition de l'acier, (ii) la condition initiale de surface de l'acier, (iii) la température de réchauffage, (iv) la composition de l'atmosphère du four de réchauffage qui détermine son agressivité envers la formation d'écailles, et (v) le temps de résidence dans le fourneau qui est déterminé par le cycle de réchauffage. Pour être capable de prédire l'effet des changements de paramètres de réchauffage sur la formation d'écaille résultante, il est nécessaire d'avoir des données d'oxydation disponibles qui correspondent à des conditions de fourneau variables. Aussi, un contrôle amélioré de l'atmosphère du fourneau permet une teneur en O₂ plus faible et plus stable et donc une réduction de la perte d'acier par formation d'écailles.

Les phénomènes de formation d'écailles (oxydation) sur la surface de l'acier pendant le réchauffage du matériau d'acier dans le four de réchauffage sont inévitables et difficiles à contrôler. Les inconvénients de la formation d'écailles incluent la consommation d'acier et la chute d'écailles sur le chemin vers le laminoir, ce qui nécessite un nettoyage et cause généralement des problèmes environnementaux.

Le mécanisme pour l'oxydation à haute température de l'acier est donné à la Fig. 1. Le mécanisme d'oxydation peut dépendre de : (i) le transport de gaz oxydant depuis la phase gazeuse en vrac, (ii) réaction(s) à la limite de phase à l'interface gaz/écaille, ou (iii) la diffusion des cations Fe vers l'interface écaille/phase gazeuse.

Fig. 1 Mécanisme pour l'oxydation à haute température de l'acier

La formation d'écaille de l'acier en présence de produits gazeux de combustion ajoute à la complexité du processus d'oxydation dans le four de réchauffage. Un élément majeur dans cette complexité de formation d'écailles est l'incohérence, qui à nouveau est un résultat de paramètres interactifs dans le four de réchauffage.

Une économie allant jusqu'à 35 % de l'acier perdu par écaille peut être réalisée en réduisant l'air en excès dans le fourneau de 70 % à 20 %. Aussi, un temps de résidence plus long et des températures plus élevées de l'acier dans le fourneau résultent en la formation de quantités excessives d'écaille.

Il y a normalement deux sources d'O₂ dans le four de réchauffage. Ce sont : (i) l'air de combustion qui est fourni au brûleur pour la combustion du combustible, et (ii) l'infiltration d'air qui se produit quand il y a une pression négative dans le fourneau qui est créée pour diverses raisons et cela mène à l'infiltration d'air dans l'atmosphère du fourneau.

Le chauffage normal ou conventionnel de l'acier aux températures de laminage est de chauffer l'acier dans un four de réchauffage qui est alimenté par des brûleurs opérant à ou légèrement au-dessus du ratio stœchiométrique du combustible utilisé. Le ratio stœchiométrique à 100 % est défini comme le ratio air/combustible qui donne une combustion parfaite du combustible et donne une atmosphère de gaz de fumée qui est composée uniquement de N₂, CO₂, H₂O, et il n'y a pas d'O₂ libre. La combustion à un ratio air/combustible légèrement au-dessus de 100 % stœchiométrique résulte en un petit pourcentage d'O₂ aussi dans les gaz de fumée.

Au fur et à mesure que la charge d'acier avance à travers le four de réchauffage, sa température augmente. Cependant, le taux d'augmentation de la température dépend des taux de tir dans les zones individuelles du fourneau. Dans les premiers stades du réchauffage, la charge d'acier est exposée à de faibles taux de chauffage pour éviter le développement de contraintes thermiques. La charge d'acier est ensuite exposée à un chauffage intense jusqu'à la zone de trempe, où la température de trempe est maintenue pour atteindre une température d'acier uniforme pour le laminage subséquent.

Au fur et à mesure que la température de surface de l'acier augmente, elle réagit avec l'atmosphère oxydante du fourneau (O₂, CO₂, et H₂O, etc.), pour produire une couche d'oxyde (couche d'écaille). L'épaisseur de la couche d'écaille dépend de plusieurs facteurs.

Avantages et inconvénients de la formation d'écailles

Il y a un certain nombre d'avantages et d'inconvénients à la formation d'écailles sur l'acier. Les avantages sont : (i) l'écaille élimine les défauts de surface tels que les impuretés de poudre de moule incrustées dans la surface depuis la machine de coulée continue, oxydes et fissures de surface, et résulte donc en une surface d'acier lisse et propre, (ii) la chaleur dégagée vers l'acier pendant le processus d'oxydation, étant une réaction exothermique, compte pour environ 2 % à 3 % de l'apport total de chaleur, et (iii) la couche d'écaille réduit le flux de chaleur depuis l'acier vers l'environnement (en raison de sa conductivité thermique plus faible) lorsque l'acier est transporté vers le laminoir. Les inconvénients de la formation d'écailles pendant le réchauffage de l'acier dans un four de réchauffage incluent : (i) perte d'acier variant de 1 % à 3 % selon les conditions d'exploitation du fourneau, (2) accumulations d'écailles à l'intérieur du fourneau et sur le chemin de transport de l'acier chauffé qui nécessite une période d'arrêt du fourneau pour le nettoyage et (iii) ralentissement du transfert de chaleur depuis l'environnement du fourneau vers l'acier nécessitant des périodes de chauffage plus longues.

Il est important de minimiser la formation d'écailles pendant le réchauffage à un niveau auquel elle est avantageuse. Cela rend nécessaire la surveillance et le contrôle de tous les paramètres pertinents pendant l'opération du four de réchauffage.

Cinétique d'oxydation et atmosphères complexes

Le sujet de l'oxydation à haute température des aciers sous différentes conditions a été étudié de manière extensive. La considération théorique de l'oxydation des métaux purs montre qu'il y a deux mécanismes de contrôle principaux. Initialement, il y a une croissance linéaire de l'écaille quand le taux d'oxydation est déterminé par les réactions chimiques de surface. Cela dure généralement pendant une courte période jusqu'à ce que la couche d'écaille devienne établie et que le taux de diffusion d'un des réactifs à travers la couche d'écaille devienne le mécanisme de contrôle. Dans le cas du fer pur, c'est la diffusion du fer vers l'extérieur depuis l'interface métal/écaille qui contrôle le taux d'oxydation. Cela mène directement à la loi parabolique que le poids oxydé par unité de surface est proportionnel à la racine carrée du temps écoulé.

Quand l'acier est chauffé dans des atmosphères de gaz mélangés, comme c'est le cas dans le four de réchauffage, des déviations marquées du comportement du fer pur sont généralement observées. Cela peut résulter des éléments d'alliage dans l'acier. Ceux-ci causent de nombreuses déviations du mécanisme de croissance classique, l'un des plus évidents étant l'inhibition du mouvement de dislocation sous l'action des contraintes de surface générées par la croissance de l'écaille. Cela favorise la génération d'une ligne de pores ou d'espaces à l'interface métal-écaille qui inhibe la diffusion du fer et résulte en taux d'écaillage plus faibles. De plus, il est souvent difficile de distinguer une période initiale, discrète, d'oxydation linéaire alors qu'une déviation significative de la loi parabolique, tout au long de toute la période d'oxydation, est fréquemment observée.

Les écailles formées sur les aciers contiennent souvent des fissures qui, si elles sont normales à l'interface métal-écaille, ont donné lieu à des voies alternatives pour les gaz d'oxydation d'être transportés à travers l'écaille. Cela signifie que la diffusion à travers l'écaille n'est plus le mécanisme de contrôle et une oxydation accrue peut en résulter. Ces fissures peuvent avoir surgi de l'échappement de produits gazeux d'oxydation tels que le monoxyde de carbone (CO), de l'interface écaille-métal ou comme résultat des contraintes générées pendant la croissance de l'écaille. La géométrie de l'acier peut aussi influencer la génération de fissures dans l'écaille.

Les constituants des gaz de fumée CO₂, H₂O et O₂ sont tous oxydants pour l'acier quand la température de surface de l'acier est au-dessus d'environ 750 °C. Pour l'oxydation de différents aciers dans des atmosphères de CO₂ et H₂O, l'étape limitante est trouvée être le taux de dissociation de CO₂ ou H₂O en O₂ et CO ou H₂ sur la surface d'oxyde. Cependant, pour l'oxydation dans des atmosphères d'O₂, l'étape limitante pendant la période initiale d'oxydation est trouvée être le taux de transport de l'O₂ depuis la phase gazeuse vers la surface de réaction. Après que la couche d'oxyde atteint une certaine épaisseur, l'oxydation suit une loi de taux parabolique où le taux d'oxydation est contrôlé par la diffusion des espèces ioniques et lacunes à travers la couche d'oxyde.

L'effet des niveaux d'O₂ sur les taux d'oxydation du fer à 700 °C, 800 °C, et 900 °C montre que le taux d'oxydation parabolique augmente avec l'augmentation du pourcentage d'O₂, surtout aux températures plus élevées. L'augmentation la plus significative a lieu entre 0,4 % et 2 % d'O₂ à 950 °C.

L'effet de la vapeur d'eau et du CO₂ sur l'oxydation du fer montre que le taux de formation d'écaille du fer n'est pas influencé par la vapeur d'eau à 750 °C, mais à 850 °C et 950 °C, le taux augmente par des facteurs de 1,2 et 1,6 respectivement. On voit aussi que le CO₂ produit une augmentation plus petite que la vapeur d'eau. Dans le cas de l'oxydation du fer par CO₂ dans la gamme de température 600 °C à 1100 °C, on remarque que les taux de formation d'écaille suivent des lois de temps linéaires et paraboliques pour les temps d'exposition courts et longs respectivement.

La dépendance des taux d'oxydation par rapport à la température est bien établie et est connue pour obéir à une relation d'Arrhenius (cette relation indique la dépendance de la température des taux de réaction). En général, l'oxydation peut être classée en trois stades : (i) un stade initial caractérisé par un type d'oxydation linéaire, (ii) un stade final où l'oxydation est parabolique, et (iii) un stade intermédiaire où une transition du mécanisme linéaire au parabolique a lieu. La formation d'écaille est fortement dépendante de la température de surface de l'acier et de son temps de résidence dans le fourneau. Elle dépend aussi du pourcentage d'O₂ présent dans le produit de combustion.

La température a son influence sur l'oxydation de l'acier. À basses températures (900 °C et en dessous), la teneur en O₂ a très peu d'influence sur l'oxydation de l'acier. À hautes températures (1150 °C et au-dessus), l'augmentation de la teneur en O₂ dans l'atmosphère du fourneau de 0,3 % à 3 % augmente le taux d'oxydation de 50 %. Une augmentation supplémentaire du niveau d'O₂ au-dessus de 3 % a peu d'effet sur l'oxydation.

L'oxydation dans des atmosphères complexes comme celles qui existent dans le four de réchauffage montre cependant que l'oxydation dans des gaz multi-composants peut causer les trois mécanismes d'oxydation tous ensemble.

Composition de l'écaille et réactions dans le fourneau

Il est bien connu que le fer (Fe) s'oxyde pour former trois oxydes bien connus, à savoir, la wüstite (FeO), la magnétite (Fe₃O₄) et l'hématite (Fe₂O₃) dans des proportions déterminées par la cinétique de réaction, l'oxyde prédominant étant la magnétite. La compréhension de base de l'oxydation est qu'après le stade initial, le processus se poursuit par la diffusion vers l'extérieur du fer (Fe²⁺) pour réagir avec l'oxygène, fourni par l'atmosphère du fourneau pendant le réchauffage. Le processus est défini comme procédant à des taux de croissance paraboliques, menant à la formation de trois couches de types d'oxydes, à savoir FeO, Fe₃O₄, et Fe₂O₃ progressivement, depuis la surface du métal vers l'extérieur.

La wüstite est la phase la plus interne de l'écaille qui se forme à côté du métal et est la phase riche en Fe. Elle a la plus faible teneur en O₂. Elle est représentée comme FeO, et n'est pas stable en dessous d'environ 570 °C. Cependant, sa teneur dans l'écaille augmente avec l'augmentation de la température et occupe environ 95 % de la couche d'écaille quand la température de l'acier est au-dessus de 700 °C. La densité de la wüstite est d'environ 5,87 g/cm³. La wüstite existe comme une structure monophasée thermodynamiquement stable, sur une large gamme de composition. La non-stœchiométrie de la wüstite augmente avec l'augmentation de la température et ne semble pas atteindre la composition stœchiométrique FeO. Comparée aux autres phases d'écaille et à l'acier lui-même, la phase wüstite a un point de fusion relativement bas, qui est de 1370 °C à 1425 °C. La fusion de la couche de wüstite (lessivage) accélère le taux de formation d'écaille et augmente la pénétration aux joints de grains. Cela non seulement réduit la qualité de surface, mais augmente aussi la consommation de combustible du fourneau et réduit le rendement.

La phase magnétite, Fe₃O₄, est la phase intermédiaire de l'écaille. C'est le constituant principal d'équilibre de l'écaille en dessous de 500 °C. Elle a une gamme de densité de 5 g/cm³ à 5,4 g/cm³. Elle existe comme un oxyde déficient en métal mais à un niveau bien plus petit que la wüstite. Il a été montré par diverses études que les cations et les anions diffusent dans Fe₃O₄. Au fur et à mesure que la température augmente à environ 700 °C, la formation de wüstite a lieu aux dépens de la phase magnétite et aux températures élevées, la magnétite n'occupe qu'environ 4 % de la couche d'écaille totale. La magnétite est plus dure et plus abrasive que la wüstite.

La phase hématite, Fe₂O₃, est la couche la plus externe de l'écaille et a la plus haute teneur en oxygène. Elle se forme à des températures au-dessus d'environ 800 °C. La densité de l'hématite est d'environ 5,24 g/cm³. L'hématite occupe environ 1 % de la couche d'écaille totale aux températures élevées. Comme avec la phase magnétite, l'hématite est dure et abrasive.

Le four de réchauffage est un four à feu direct. De nombreuses réactions peuvent avoir lieu pendant le réchauffage ; cependant, les principales réactions qui fournissent de la chaleur dans le four de réchauffage sont les suivantes :

C + O₂ = CO₂
2C + O₂ = 2 CO
2 CO + O₂ = 2 CO₂
CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O
S + O₂ = SO₂
2H₂ + O₂ = 2 H₂O

Le produit de combustion est toujours hautement oxydant et le taux de formation d'écaille augmente avec l'augmentation de la température de surface et l'enrichissement partiel en O₂, et dioxyde de carbone (CO₂) dans l'atmosphère du fourneau. Le taux diminue à mesure que la pression partielle de monoxyde de carbone (CO) augmente. Le pourcentage d'O₂ dans le produit de combustion est normalement maintenu autour de 1 % à 2 % pour minimiser la perte par écaille.

Les niveaux des produits de combustion dépendent du pourcentage d'air de combustion utilisé. En cas de combustion complète, la combustion donne lieu à des produits de combustion complète. On peut noter qu'à mesure que le pourcentage d'air de combustion diminue, les oxydants H₂O et CO₂ diminuent, tandis que ceux fournissant un environnement réducteur au fourneau tels que CO et H₂ augmentent. Le ratio air/combustible a aussi un grand impact sur la température de flamme adiabatique. Généralement, les températures élevées de l'air de combustion résultent en augmentations dramatiques des températures de flamme.

Impact du ratio air/combustible et atmosphères réductrices

Diverses études ont été faites sur l'impact du ratio air/combustible sur l'oxydation de l'acier dans le four de réchauffage. Ces études montrent que quand le ratio air/combustible est diminué de 1,1 à 0,9, il y a une chute substantielle de l'oxydation de l'acier. Une réduction supplémentaire du ratio air/combustible n'a qu'un effet limité.

Normalement, les brûleurs dans toutes les zones du fourneau opèrent à ou légèrement au-dessus de 100 % des niveaux de combustion stœchiométrique et les profils de temps, température et atmosphère résultants au fur et à mesure que le produit passe à travers le fourneau sont représentés par le graphique (a) à la Fig. 2. Pour une réduction substantielle de la formation d'écaille dans le four de réchauffage tout en chauffant l'acier aux températures de laminage, il devient nécessaire que le fourneau soit alimenté par des brûleurs opérant bien en dessous du ratio stœchiométrique du combustible utilisé (comme dans la gamme de 80 % à 90 % du ratio stœchiométrique) et l'atmosphère de gaz de fumée contienne du CO et H₂ ainsi que N₂, CO₂ et H₂O dans la zone de trempe du fourneau. Afin de brûler les combustibles (CO et H₂), l'air nécessaire est introduit dans la partie avant du fourneau pour brûler les combustibles (CO et H₂). Les profils de temps, température et atmosphère résultants au fur et à mesure que le produit passe à travers le fourneau sont montrés par le graphique (b) à la Fig. 2.

Les constituants des gaz de fumée CO et H₂ sont réducteurs pour l'acier et quand considérés avec les autres constituants des gaz de fumée CO₂, H₂O et O₂. Le mélange de gaz de fumée est soit réducteur, soit oxydant pour l'acier selon le ratio CO/CO₂ et H₂/H₂O et selon la température de surface de l'acier. Les ratios CO/CO₂ et H₂/H₂O sont inversement proportionnels au ratio stœchiométrique en pourcentage de combustion. Donc, si une atmosphère réductrice peut être créée dans la zone de trempe et convertie en atmosphère oxydante quand les températures de l'acier sont basses, alors il y a possibilité de réduction d'écaille.

Le tir en conditions réductrices produit du CO et H₂ dans l'atmosphère du fourneau en quantités égales. Cela s'ajoute au CO₂ et H₂O produits sous combustion stœchiométrique. Les ratios CO/CO₂ et H₂/H₂O requis pour la réduction de la formation d'écaille sont une fonction de la température de surface de l'acier. Ces ratios, à leur tour, définissent le ratio air/combustible réel requis à un point donné dans le chauffage. Les ratios CO/CO₂ et H₂/H₂O pour un four de chauffage conventionnel, où la combustion est à ou légèrement au-dessus des conditions stœchiométriques, sont nuls, car il n'y a pas de CO ou H₂ dans l'atmosphère du fourneau. L'atmosphère résultante est oxydante ou écaillante pour l'acier.

Fig. 2 Profils de temps, température et atmosphère dans le four de réchauffage