Aciérie
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Une aciérie est une usine servant à produire de l'acier en grandes quantités, généralement sous la forme de produits semi-finis. On distingue généralement 2 types d'aciéries: les aciéries électriques qui produisent de l'acier à partir de ferrailles recyclées, et les aciéries à oxygène qui travaillent à partir de fonte liquide produites par un haut fourneau
Sommaire |
[modifier] Outils
- La désulfuration (Enlever le soufre de la fonte issue des haut fourneau)
- Les poches à fonte (Enfournement dans le convertisseur)
- Les augets (Enfournement des ferrailles dans le convertisseur)
- Le décrassage de la fonte (Enlever la crasse après désulfuration)
- Les convertisseurs à oxygène (Transformation de la fonte en acier)
- Les poches acier (le contenant de l'acier pour la métalurgie en poche et la coulée en coulée continue)
- Les basculeurs de poche (préparation de la poche acier pour la coulée en coulée continue)
- La métalurgie en poche (Mise à nuancen affinage de l'acier)
- La coulée continue (solidification du métal par refroidissement à eau)
- Les ponts roulants (indispensables pour le transports des poches)
[modifier] Réception matières
Les principaux produits utilisés par une aciérie sont :
- la fonte, s'il s'agit d'une aciérie à l'oxygène
- les ferrailles
- l'oxygène
- la chaux
- les éléments d'alliages
- les matériaux réfractaires
[modifier] Prétraitement de la fonte (aciérie à l'oxygène uniquement)
On y trouve généralement:
- atelier de désulfuration. En injectant du carbure de calcium et du magnésium, le soufre va former des oxydes qui vont flotter vers le laitier de la fonte. Ce laitier sera alors enlevé à l'aide d'un racloir. D'autres agents désulfurants, comme la soude, peuvent être également utilisés.
- La station de mélange. En mélangeant des coulées de fontes, il est possible d'optimiser la température ou la composition de la fonte utilisée convertisseur.
A noter que la désulfuration est parfois considérée comme un atelier dépendant des hauts forneaux
[modifier] Convertisseur
Voir également convertisseur et fabrication de l'acier
[modifier] Convertisseur à l'oxygène
[modifier] Four électrique
Apparu dans les années 60, la production d'acier à partir de ferrailles de récupération fondues dans un four électrique à été posée comme un modèle technico-économique par Nucor Corporation aux États-Unis. Un panier recouvert de briques réfractaires est rempli de ferrailles, qui sont refondues à l'aide d'un puissant arc électrique. L'arc est généré par 3 électrodes en graphite alimentées en courant alternantif, ou parfois par une seule électrode fonctionnant en courant continu.
Avantages
- La matière première, constituée de ferrailles généralement récupérées à l'aimant, est compétitive vis-à-vis du minerai et du coke.
- Cette filière n'a pas besoin de haut fourneau et de l'énorme mobilisation de capital qu'il réclame régulièrement (une réfection des réfractaires tous les 15 ans, coûtant plus de 100 millions d'euros et durant 3 mois).
- Un four électrique est beaucoup plus flexible et robuste qu'un haut fourneau
Inconvénients
- Il est difficile de maîtriser la qualité des ferrailles, notamment vis-vis de la pollution en cuivre (élément fragilisant, venant des moteurs électriques non repérés). Cette contrainte limite généralement la filière électrique à la fabrication de produits longs et aux commodités.
- Le prix des ferrailles est également très fluctuant
- Le "gisement" de ferraille dépend du niveau développement et d'équipement du voisinage. Même en Europe, il est diffile de trouver plus d'un million de tonnes de ferrailles par an.
[modifier] Métallurgie en poche
La métallurgie de l'acier liquide est apparue quand on a su éliminer le phosphore présent dans le minerai de fer, par le soufflage de l'acier en présence de Chaux dans les convertisseurs Thomas
La métallurgie en poche est apparue lorsque les alliages à élaborer devenaient trop complexes porur être effectués dans un seul réacteur, le convertisseur. Actuellement, on achève l'élaboration de l'acier liquide après qu'il ait été coulé du convertisseur (ou du four électrique) dans la poche. L'objectif est alors de :
- chasser les derniers éléments chimiques issus de la fonte (carbone, phosphore et soufre).
- consommer les gaz dissous dans l'acier liquide (oxygène du convertiseur, hydrogène des ferrailles, azote).
- éliminer les inclusion d'oxydes flottant dans le métal.
- atteindre, au meilleur coût, la composition chimique visée.
- atteindre la température de coulée demandée par l'outil aval, la coulée.
[modifier] Traitement du laitier
On a vu que le laitier peut ôter le soufre de la fonte. Au convertisseur, un laitier riche en Chaux permet également d'ôter le phosphore. Dans ces cas, le laitier est isolé de la surface du bain une fois la réaction chimique métal liquide - laitier finie.
Le laitier peut aussi absorber les inclusions d'oxydes dissoutes dans le métal, généralement issues du calmage. Pour cela, il est essentiel de maîtriser sa composition, de manière à le rendre réactif. Une haute teneur en Chaux, par exemple, rend le laitier basique ce qui est favorable vis-à-vis des inclusions d'alumine. Cependant, ce laitier doit aussi ménager les briques réfractaires... le réglage des laitiers est donc un compromis.
Certains oxydes du laitier, comme le FeO, peuvent oxyder les additions d'alliage comme le titane, l'aluminium, le bore,... Dans ce cas, ces éléments d'alliages sont consommés, donc gaspillés, avant d'atteindre le métal liquide. Une quantité de laitier trop importante, ou une oxydation du laitier mal maîtrisée est donc dans ce cas rédhibitoire.
Les outils liés au traitement du laitier consistent généralement en un "rateau" pour "écrémer" le laitier flottant sur l'acier liquide. Des trémies permettent l'addition des produits destinés à constituer ou amender le laitier.
[modifier] Outils de passage au vide
Deux outils sont généralament utilisés pour passer l'acier liquide sous vide (valeur pouvant être inférieure à 1 mbar):
- Le Vide En Cuve. La poche est descendue dans une cuve. Un couvercle vient se mettre dessus pour fermer l'enceinte de façon étanche. Le vide est obtenu à l'aide de pompes à vide et d'éjecteurs montés en série. Etant donné la densité du métal liquide, l'effet du vide ne se manifeste qu'à la surface du bain. Il faut donc brasser le métal, à l'aide de bouchons poreux montés au fond de la poche, qui soufflent de l'argon.
- RH
[modifier] Station de brassage et de mise à nuance
La mise à nuance (ajout des éléments d'alliage) peut se faire au convertisseur, une fois le cycle de décarbration achevé. Etant donné la diversité des nuances d'acier à produire et les contraintes liées à la dissolution des éléments d'alliages, cette pratique tend à disparaître. Généralement, la mise à nuance de l'acier liquide se fait avec des outils spécifiques, en plusieurs étapes:
- Ajout des éléments d'alliages chimiquement "robustes". Typiquement, on peut ajouter du fer-manganèse-carbone (une fonte de manganèse), qui va se décarburer partiellement au contact de l'oxygène dissous dans l'acier liquide. Le manganèse est généralement le premier élément d'alliage en terme de quantité: son ajout au plus tôt est donc un moyen d'assurer aussi sa dissolution.
- Calmage. Il s'agit de l'ajout d'éléments ayant une forte affinité avec l'oxygène dissous dans le bain, typiquement l'aluminium pour les produits plats, et le silicium pour les produits longs. Ces éléments, en débarrassant l'acier de son oxygène, vont créer des oxydes qui vont flotter vers le laitier.
- Ajout des éléments d'alliage. Une fois l'acier calmé, on peut procéder à l'ajout des additions précieuses telles que le vanadium,le niobium, le titane,... L'absorption de l'oxygène lors de l'opération de calmage évite l'oxydation de ces éléments: on limite ainsi les pertes. L'addition de ces éléments peut se faire par gravité à partir de trémies: dans ce cas, les éléments d'alliages devront traverser le laitier avant d'atteindre l'acier. On doit alors bien maîtriser la composition de cette couche, ou découvrir localement le bain tout en travaillant sous une atmosphère neutre d'argon (procédé CAS). Il est également possible d'injecter directement dans le métal liquide, avec des lances immergées, ces éléments d'alliages finement concassés. Le transport des éléments d'alliages à l'intérieur de la lance se fait avec de l'argon. Une troisième possibilité consiste à injecter un long tuyau d'acier, remplit d'élements d'alliage sous forme de poudre. Cette solution permet une excellente protection des éléments ajoutés, mais ne permet pas l'addition de grosses quantités.
L'ordre ci-dessus est généralement respecté. On doit cependant savoir que le calmage n'est réellement nécessaire que si l'acier sera solidifié à l'aide d'une coulée continue. La coulée en lingot permet la solidification d'acier non calmé, l'acier effervescent, exempt d'impuretés, car les oxydes créés par le calmage ne flottent pas tous vers le laitier. En outre, la solidification induit le dégazage de l'oxygène dissous qui, en montant vers la surface, nettoie et brasse l'acier encore liquide.
Le passage par un outil de vide est également possible. Si le rôle de cet outil est de parfaire la décarburation entamée au convertisseur, cette étape devra se faire avant le calmage. Si l'objectif est la désydrogénation ou la dénitruration, cette étape viendra une fois la composition chimique finale atteinte.
Le brassage est fait dès que l'on ajoute les éléments d'alliage. Il peut être pneumatique: de l'argon est alors injecté avec une lance immergée, ou au travers des briques réfractaires tapissant la poche. Le brassage peut également être électromagnétique.
Le rôle du laitier ne doit jamais être négligé lors de la phase d'addition des éléments d'alliage. En effet, il peut perturber l'opération en:
- régurgitant des éléments indésirables, comme le phosphore ou le soufre: les additions et le calmage vont en effet modifier l'équilibre chimique entre l'acier liquide et le laitier.
- oxydant les éléments d'addition. Outre le coût lié à la consommation d'une partie de ces éléments, la fraction oxydée par un laitier non réduit (par exemple, riche en FeO) ne peut pas être prédite. Il devient alors difficile d'atteindre la composition chimique visée.
[modifier] Mise à température
La coulée continue demande typiquement des température d'acier d'environ 30°C au dessus du liquidus de l'alliage. Les moyens de réchauffage sont, soit le four électrique à poches, soit un procédé chimique comme l'aluminothermie. Il est également possible de travailler tout le temps très chaud, pour ne refroidir à la bonne température qu'au dernier moment.
[modifier] Coulée
Voir également fabrication de l'acier
[modifier] Coulée continue
La coulée continue est l'outil de solidification du métal. La poche acier est posée sur un pivoteur, qui possède deux bras, pour accueuillir deux poches, et de ce fait couler en continu. Le métal s'ecoule via le canal de coulée dans un distributeur qui va le répartir sur deux lignes de coulée. En sortie du distributeur, le métal arrive dans la lingotière qui va lui donner sa forme finale (brame) par refroidissement à l'eau. En fin de ligne, la brame est coupée à la longueur souhaitée par oxycoupage (un gros chalumeau). Prochaine étape, le laminage.
[modifier] Coulée en lingot
La coulée en longot est l'ancêtre de la coulée continu, et n'est pratiquement plus utilisé.
[modifier] Historique
Cette section est vide ou n'est pas assez détaillée, votre aide est la bienvenue !Le développement des aciéries suit un chemin parallèle à la révolution industrielle. En effet, la production industrielle demandait des outils solides à prix raisonnable. Le travail du minerai de fer, disponible presque partout, est devenu de plus en plus adapté à la production de masse, pendant que la qualité des aciers ne cessait de s'améliorer.
Voir Histoire de la production de l'acier
