Installations de fabrication de l'acier/aciéries à l'oxygène

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Qu’est-ce que l’acier ?

L’acier se compose d’une majorité de fer, avec une grande quantité de carbone (par ex. 4%) éliminée et une quantité contrôlée restante. La teneur en carbone de l’acier joue un rôle très important dans le comportement du matériau après un traitement thermique. Le Tableau 1 donne des indications de ces propriétés. Tableau 1 Effets du carbone sur les applications de l’acier

Qu’est-ce qui est ajouté à l’acier ?

Des additifs variés sont utilisés pour améliorer les propriétés de base de l’acier ordinaire. Ainsi, le molybdène est utilisé pour améliorer la résistance à la traction et la dureté à chaud et le nickel améliore la robustesse et la ductilité. Les différentes propriétés requises de l’acier pour différents usages (par ex. tête de marteau, carrosserie de voiture) imposent le type d’acier utilisé et la façon dont il est traité par chauffage contrôlé et laminage à froid et à chaud. Le Tableau 2 donne davantage de détails sur les additifs de l’acier.Tableau 2 Additifs de l’acier

Aciéries à l’oxygène

Le fer en fusion du haut fourneau est transporté dans des « torpilles » spéciales revêtues de briques réfractaires sur des wagons (dont la capacité varie de 200 à 450 tonnes) jusqu’à l’installation de fabrication de l’acier où le fer est raffiné pour produire des aciers de qualités et de compositions variées.

Dans l’aciérie, le fer est traité en deux étapes, d’abord pour extraire le carbone et ensuite pour recevoir des additifs qui modifient les propriétés de l’acier.

Dans la première étape, le fer est mélangé avec des déchets et des fondants puis, mélangé avec du gaz inerte et brûlé avec de l’oxygène jusqu’à obtention des taux de carbone requis, tels qu’ils sont mesurés par des sondes plongeuses d’échantillonnage. Ce processus de « soufflage » d’oxygène se fait dans de grandes cuves inclinées appelées convertisseurs. Dans les aciéries modernes, les cuves sont généralement capables de convertir 350 tonnes de métal en un « soufflage ». Une cuve de convertisseur pèse elle-même 650 tonnes, voir la Figure 1. Une aciérie à l’oxygène est habituellement équipée de deux ou trois convertisseurs disponibles pour transformer le fer en acier, avec généralement une ou deux en service à la fois, et occasionnellement plusieurs convertisseurs exploités en même temps. (Figure 1 Convertisseurs d’aciérie à l’oxygène)

Lors de la deuxième étape, l’acier brut est mélangé à des additifs dans des cuves plus petites, pour être ensuite soumis à un cycle de « soufflage » court avant d’être moulé dans l’installation de coulée continue.

Les impuretés du fer dues aux puissantes conditions réductrices du haut fourneau doivent être éliminées par oxydation. Le carbone résiduel et le silicone sont oxydés avec l’aide de fondants de base.

La fabrication de l’acier à l’oxygène est un processus séquentiel reposant sur le positionnement du convertisseur et le traitement du contenu. L’automatisation de la totalité du processus est possible à partir d’informations de recette de processus enregistrées de façon centrale jusqu’à l’instrumentation « front-end », tout en permettant des interventions manuelles et des étapes de reprise de traitement.

Le convertisseur est une cuve capable de s’incliner à 180° de la position droite verticale du côté chargement, et de plus de 90° du côté coulée. Le convertisseur est incliné pendant la séquence selon l’un des angles prédéterminés, comme indiqué dans la Figure 2. (Figure 2 Positions des convertisseurs)

Le convertisseur est tourné jusqu’à sa position de charge pour être chargé avec les déchets métalliques (50 tonnes), le fer liquide (300 tonnes), la chaux (15 tonnes) et les fondants « basiques » magnésium et calcaire (6 tonnes).

Le convertisseur revient à la verticale, la lance principale descend et injecte de l’oxygène à haute vitesse sur la surface du métal en fusion pendant 15 à 20 minutes.

Après l’injection d’une quantité prédéterminée d’oxygène, le « soufflage » est terminé et la lance principale est retirée. Aux débits d’oxygène 80 % et 100 %, calculés avec un modèle thermochimique, une sous-lance est descendue pour mesurer la température utilisée pour calculer l’extinction du carbone.

Sous réserve que la température et l’analyse des échantillons soient acceptables, le convertisseur est tourné de la position verticale à la position de coulée.

Après la coulée, le convertisseur revient à sa position de laitier pour le vider de temps en temps, à la position verticale pour ajouter des épaississeurs, puis agité doucement pour éliminer le laitier avant le vidage, qui est réalisé en amenant le convertisseur à la position verticale opposée (180°).

En pratique, il y a d’autres étapes qui dépendent d’autres paramètres. Par exemple :

des re-soufflages peuvent être nécessaires en fonction de la température ou de l’analyse

une interruption anti-résidus peut être nécessaire pour réduire la quantité de résidus en augmentant le débit de gaz inerte pendant une période donnée

il peut être nécessaire d’augmenter le débit de gaz inerte pour réduire la température

Pendant toute la durée du cycle, des gaz inertes tels que l’azote et l’argon (pendant le soufflage et le re-soufflage) s’écoulent en continu pour agiter ou brasser le contenu du convertisseur et pour que les éléments de brassage du convertisseur restent dégagés pendant la durée de la campagne du convertisseur.

Le résultat est un acier dont la teneur en carbone est très basse. Le pourcentage nécessaire pour le type d’acier fabriqué étant supérieur, une quantité contrôlée de carbone est ajoutée pour répondre aux spécifications.

Une fois le métal versé, le cycle recommence et, en l’absence de problèmes retardant les aciéristes, 8 « soufflages » sont en général effectués pendant une période de travail de 8 heures, produisant pratiquement 3000 tonnes d’acier.

Contrôle du brassage (gaz inerte)

Pour mélanger le contenu du convertisseur, de l’argon ou de l’azote sont injectés par un certain nombre de conteneurs disposé à la base du convertisseur, comme indiqué dans la Figure 3. Le débit total et le type de gaz pour chaque étape de séquence sont prédéterminés avec la recette chargée pour le soufflage courant. Figure 3 Contrôle du brassage du bain pour la fabrication de l’acier à l’oxygène

Le débit total est divisé équitablement entre les régulateurs, un pour chaque conteneur pour maintenir une distribution uniforme, et devient le point de consigne du régulateur. Le débit massique mesuré est compensé en température et en pression pour chaque conteneur et type de gaz, puis entré dans le module de commande. La sortie de commande 4-20mA module ensuite la position de la vanne.

Si le conteneur est recouvert de laitier lourd, la pression aval augmente. Si elle augmente au-delà d’une limite prédéfinie, le contrôle passe d’un contrôle de débit à un contrôle de pression et la vanne de régulation répond ensuite à un algorithme de commande différent. Sur réduction de la pression (moins une valeur d’hystérésis), le contrôle repasse à un contrôle de débit. Le basculement entre les modes de contrôle est automatique et sans à coup, car la boucle non active poursuit la sortie de la boucle active. (Figure 3 Contrôle du brassage dans la fabrication de l’acier à l’oxygène)

Contrôle de l’angle du convertisseur

Le convertisseur est positionné à l’angle souhaité en comparant l’angle absolu souhaité correspondant à l’angle réel absolu et en entraînant les moteurs de positionnement dans la bonne direction.

Les moteurs de positionnement sont entraînés progressivement à des vitesses croissantes puis décroissantes en fonction de l’amplitude de l’erreur et des intervalles de temps, jusqu’à ce que la position soit comprise dans la plage de tolérance admise.

Débits de gaz

Le processus de fabrication de l’acier à l’oxygène utilise des gaz onéreux (argon, oxygène et azote) et aussi les mesures et la totalisation précises de ces gaz contribuent à l’exploitation économique et à l’assurance de la qualité en utilisant ces valeurs dans la génération de rapports et de journaux sur feuilles de calcul.