Revêtement Réfractaire du Four à Arc Électrique : Matériaux Essentiels pour la Production d'Acier à Haute Température

Revêtement Réfractaire du Four à Arc Électrique

Les réfractaires sont des matériaux capables de résister à des températures élevées sans modification significative de leurs propriétés chimiques ou physiques. Ils sont indispensables au fonctionnement du four à arc électrique (FAE), car ils permettent de contenir l'acier liquide dans le creuset sans endommager la structure du four. Le FAE nécessite une variété de produits réfractaires, les plus critiques étant ceux en contact direct avec l'acier liquide.

Le choix des réfractaires pour le revêtement du FAE dépend de sa conception. Les conditions opératoires influencent également fortement les performances des réfractaires. Ces conditions exigent des réfractaires chimiquement basiques, offrant une excellente résistance aux hautes températures et aux cycles thermiques. La conception moderne des FAE intègre un trou de coulée excentrique au fond (EBT), ce qui requiert des réfractaires spécialisés. La figure 1 présente une coupe transversale typique du FAE avec ses différentes zones.

Fig 1 Coupe transversale typique du FAE montrant les différentes zones

Les FAE se distinguent principalement par trois caractéristiques : (i) le mode de coulée (latérale ou par le fond), (ii) la source d'énergie (courant alternatif AC ou courant continu DC), et (iii) l'utilisation d'oxygène supplémentaire pour augmenter le taux de fusion.

Conceptions de Coulée

Les FAE à coulée latérale possèdent un bec partant de la paroi latérale pour l'écoulement de l'acier liquide vers la poche. Ce bec est revêtu de réfractaire, et un trou de coulée traverse la paroi pour relier l'intérieur du four au bec. Ces fours s'inclinent d'environ 45°, nécessitant un revêtement latéral plus épais côté coulée. Les FAE à coulée par le fond ont leur trou de coulée dans la section inférieure du creuset et requièrent des produits réfractaires spéciaux. La coulée par le fond permet de réduire la hauteur du revêtement latéral grâce à un angle d'inclinaison plus faible (15° à 20°). La figure 2 illustre ces deux types.

Fig 2 Deux types de conceptions de coulée

Source d'Énergie : AC vs DC

Les FAE à courant alternatif utilisent trois colonnes d'électrodes pour les trois phases électriques. Ces électrodes augmentent l'évasement de l'arc, qui peut impacter les parois latérales et créer des points chauds. La conception réfractaire doit y remédier. Le toit nécessite trois trous pour les électrodes, et sa section centrale entre les électrodes limite souvent les performances. Les FAE à courant continu n'ont qu'une seule électrode traversant le toit, l'arc passant directement au bain d'acier liquide qui contacte l'anode au fond pour fermer le circuit. Ils présentent moins d'évasement d'arc sur les parois, donc pas de points chauds. La conception du toit est plus simple. Cependant, le creuset doit accueillir l'électrode de fond, ce qui complique le revêtement inférieur.

Impact de l'Oxygène Supplémentaire

L'utilisation de lances et brûleurs à oxygène pour augmenter le taux de fusion affecte la conception et la performance des réfractaires. L'oxygène peut être dévié par la ferraille et impacter le revêtement, causant une surchauffe localisée et une usure accélérée. Des conditions oxydantes localisées peuvent également accélérer l'érosion du revêtement.

Mécanismes d'Usure des Réfractaires en FAE

Plusieurs mécanismes d'usure affectent les réfractaires du FAE. Les comprendre est essentiel pour concevoir et gérer le système réfractaire.

Corrosion

C'est le mécanisme d'usure le plus important. Elle résulte des réactions chimiques entre les oxydes métalliques (FeO, SiO₂, MnO) dans la scorie et les matériaux réfractaires. La magnésie (MgO) du revêtement est soluble dans la scorie liquide (6-14% selon la teneur en FeO et la température). Les produits de réaction deviennent partie de la scorie. On peut minimiser la corrosion en neutralisant le FeO avec des flux, en contrôlant l'oxygène dans la scorie, en la saturant en MgO (ajout de dolomie ou magnésite calcinée), ou en utilisant des briques contenant du carbone qui désoxyde la scorie à l'interface.

Oxydation

Le carbone du revêtement s'oxyde au contact de l'O₂ ou du FeO dans la scorie. La teneur en carbone diminue, le réfractaire perd sa résistance et est lessivé. Ce mécanisme peut aussi se produire à la face froide de la brique si la coque métallique présente des fuites d'air.

Érosion

Usure physique due au mouvement de l'acier et de la scorie liquides sur la face du revêtement. Courante au trou de coulée, ligne de scorie, ouvertures d'électrodes du toit et conduits d'évacuation.

Fusion

L'arc électrique non protégé génère des températures bien supérieures au point de fusion de nombreux réfractaires. Le passage de l'état solide à l'état liquide entraîne un lessivage. Problème grave s'il n'est pas détecté et corrigé rapidement.

Hydratation

L'eau utilisée abondamment dans les FAE modernes peut fuir. L'hydratation de la MgO ou de la chaux provoque l'expansion des grains, qui éclatent et perturbent le revêtement.

Écaillage (Spalling)

Chauffage ou refroidissement rapides créent des contraintes dépassant la résistance du matériau, provoquant des fissures et la chute de morceaux de réfractaire. Fréquent au niveau du toit, soumis à des cycles thermiques.

Zones du FAE

Le four se divise en zones aux exigences réfractaires spécifiques (figures 1 et 2) : (i) le creuset contenant l'acier liquide et la charge initiale, (ii) la ligne de scorie (transition creuset/paroi), (iii) la paroi supérieure (au-dessus de la ligne de scorie, sous les panneaux refroidis à l'eau), (iv) le trou de coulée, et (v) le toit (avec partie réfractaire appelée delta) pour les électrodes et l'évacuation des gaz.

Les FAE modernes à EBT utilisent généralement de la magnésite (MgO) ou magnésite-carbone (Mg-C) dans les zones de contact avec l'acier liquide. Des réfractaires spécialisés à bonne résistance au choc thermique servent pour le toit/delta, le trou de coulée et le bec/coulée.

Creuset (Hearth)

Le creuset supporte l'acier liquide à haute température, résiste à l'impact des charges lourdes et à la corrosion par la scorie lors de la coulée. Un FAE typique utilise un creuset à deux composants : ~230 mm de briques de sécurité sur la coque (sous-creuset) et 300-600 mm de magnésite monolithique comme revêtement d'usure. Certains FAE ont un creuset tout en briques, le monolithique servant seulement aux réparations. Les briques de sécurité (90-97% MgO) sont imprégnées de goudron. Elles forment un revêtement permanent.

Le revêtement monolithique d'usure (60-95% MgO) est un matériau granulaire sec, compacté par vibration lors de l'installation. Il contient des oxydes d'impuretés (FeO) favorisant le frittage. La chaleur initiale fritte le revêtement (liaison, densification, renforcement). La conception vise un tiers supérieur totalement fritté, un tiers moyen partiellement fritté, et un tiers inférieur non fritté contre la couche de sécurité. Ce gradient facilite le rechargement : on retire la zone frittée endommagée et on la répare avec du neuf qui frittera à la chauffe suivante.

Les FAE modernes intègrent souvent des éléments de brassage par gaz nécessitant des matériaux poreux ou des tuyères traversant les réfractaires denses. Ces gaz causent de l'érosion, imposant une maintenance régulière.

Ligne de Scorie (Slag Line)

Zone de transition soumise à de hautes températures (arc, oxydation, flamme des brûleurs O₂) et surtout à l'attaque de scories riches en FeO, SiO₂, MnO. Le choix réfractaire doit s'accorder à la chimie de la scorie attendue. Pour les aciers au carbone, scories riches en chaux (CaO/SiO₂ > 2) exigent des réfractaires basiques. On utilise généralement des briques Mg-C ou magnésite imprégnée de goudron. Pour l'inox, des briques magnésite-chrome à grain fondu plus neutres conviennent.

La conception combine briques et monolithiques. Courant : briques Mg-C de 300-450 mm d'épaisseur avec 10-20% de carbone (graphite + liant résineux carboné). Le carbone résiste bien à l'attaque de scorie et aux hautes températures, mais s'oxyde. On y ajoute des poudres métalliques (Al, Si, Mg) formant des carbures plus résistants à l'oxydation et renforçant la brique. Les briques Mg-C sont protégées par un revêtement monolithique initial couvrant tout ou partie de la ligne de scorie. En raison des conditions sévères, on reconstruit fréquemment une couche protectrice par guniting de mélange MgO.

Paroi Supérieure (Upper Side Wall)

Revêtue de briques Mg-C similaires à la ligne de scorie. Soumise à l'évasement d'arc (températures très élevées), à l'impact de ferraille lourde au chargement, au contact acier/scorie lors de l'inclinaison pour la coulée, et à la corrosion par scorie et flamme des lances/brûleurs. Briques Mg-C avec 5-20% de carbone. Pour les FAE AC avec points chauds, on utilise des briques à grains de magnésie fondue (meilleure résistance thermique, mais plus coûteuses) au lieu de magnésie frittée.

Réfractaires du Trou de Coulée (Taphole)

Nécessaires pour les deux types de coulée. Conditions similaires : écoulement à haute vitesse d'acier liquide (et scorie) dans un trou de 125-200 mm. L'érosion est sévère.

Coulée latérale : deux approches. (1) Ouverture laissée dans la paroi, manchon réfractaire ou tube métallique positionné, vides comblés par guniting MgO. (2) Ensemble de trou de coulée préformé placé avant la maçonnerie de la paroi, assurant un ajustement serré.

Les matériaux doivent être de haute qualité. Pour le guniting autour d'un mandrin métallique : mélange de la plus haute qualité, résistance et résistance à l'érosion maximales. Pour les manchons réfractaires : briques Mg-C de haute pureté ou magnésie fondue avec 10-15% C et poudres métalliques pour résistance à l'érosion et l'oxydation.

Le bec (spout) prolonge le trou de coulée vers la poche. C'est une forme monolithique précoulée dans la coque du bec. Si la pratique opératoire amène de la scorie dans le bec : castable à base de MgO pour sa résistance à la scorie. Sinon : castable haute alumine haute résistance, offrant meilleure résistance au choc thermique et plus longue durée de vie.

Coulée par le fond (EBT) : manchons de trou de coulée spécialement conçus et bloc de fond (end block). Le manchon siège dans un ensemble de siège dans le creuset (~450 mm de diamètre). Remplissage de l'espace annulaire par castable ou mélange de ramming basique. Manchons en blocs Mg-C de magnésie haute pureté ou fondue (10-15% C) avec poudres métalliques. Le bloc de fond dépasse la coque, maintenu par une coulée métallique. Exposé à l'environnement, il doit avoir excellente résistance à l'oxydation et à l'érosion. C'est souvent le facteur limitant la performance du trou de coulée. L'érosion fait évaser le jet de coulée, augmentant la réoxydation. Remplacement à chaud du bloc de fond et du manchon alors nécessaire.

Toit et Delta

Les réfractaires de toit (FAE AC et DC) sont généralement des formes précoulées en haute alumine (70-90% Al₂O₃) à haute résistance. Le toit se soulève et pivote au chargement, soumettant les réfractaires à de forts chocs thermiques. La dilatation thermique moindre des castables haute alumine vs basiques est un atout. Leur résistance supérieure résiste mieux aux contraintes de manipulation. Les toits durent généralement longtemps.

Le toit permet l'évacuation des gaz par un conduit. La sortie immédiate est refroidie à l'eau, mais une zone du conduit est revêtue de réfractaire. Ces réfractaires doivent résister au charriage de scorie et à l'abrasion par les gaz chargés de particules à haute vitesse. On utilise : briques alumine (50-70% Al₂O₃) ou mélange guniting alumine/terre de feu (40-60% Al₂O₃), combinant résistance au choc thermique et à la scorie.

Réfractaires pour FAE DC

Les FAE DC ont des exigences spéciales car l'électrode de retour est généralement au fond (parfois deux électrodes graphites). Avec un fond conducteur, le revêtement réfractaire central agit comme anode. Une plaque de cuivre en dessous relie la barre de retour. Exigences : faible résistance électrique (<0,5 milli-ohm/m), faible conductivité thermique, haute résistance à l'usure.

La conception du creuset doit intégrer l'électrode de fond. Conditions sévères : températures localisées élevées, turbulence intense à la surface de l'électrode. Réfractaires requis : haute stabilité thermique et résistance. Pour électrodes à plots ou ailettes : magnésite monolithique vibratable à sec avec 5-10% C, de préférence plus résistante en température et plus riche en MgO. Installation à chaud ou à froid. Sous le revêtement d'usure : trois couches de briques Mg-C (10-14% C résiduel).

Électrode de retour à billettes : 1 à 4 grosses billettes acier (~250 mm) selon la taille du four, enchâssées dans le réfractaire de fond, entourées de briques basiques. Reste du creuset : mélange de ramming magnésite spécial pour maintenir la zone brique autour de l'électrode.

Électrode à plots (pins) : multiples plots métalliques (250-500 mm) traversant le réfractaire jusqu'à une plaque métallique au fond. Ramming magnésite sec dans tout le creuset, compacté entre les plots. Alternative : briques Mg-C autour de l'anode (meilleure durée de vie, mais plus coûteux).

Électrode à ailettes (fins) : ailettes en acier en anneau formant des secteurs. Chaque secteur : plaque de fond horizontale + ailettes soudées verticales traversant le réfractaire. Ramming magnésite sec entre ailettes et pour le creuset.

Réfractaires conducteurs : briques ou monolithiques combinant carbone et magnésite pour conduire le courant du bain aux connexions cuivrées au fond. Mélange complexe de magnésite haute pureté, graphite, poudres métalliques pour allier réfractarité haute température et conductivité électrique.