Aciérie
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Introduction

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 (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du soudage de l’acier) et de la construction mécanique.) à partir de ferrailles recyclées, et les aciéries à oxygène qui travaillent à partir de fonte liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) produites par un haut fourneau

Outils

Dans le cas d'une élaboration de l'acier à partir de fonte liquide, on a généralement les outils:

  • La désulfuration (Enlever le soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.) de la fonte issue des hauts fourneaux)
  • Les poches à fonte (Enfournement dans le convertisseur)
  • Les augets (Enfournement des ferrailles dans le convertisseur)
  • Les convertisseurs à oxygène (Transformation de la fonte en acier)
  • Les poches acier (le contenant de l'acier pour la métallurgie (La métallurgie est la science des matériaux qui étudie les métaux, leurs élaborations, leurs propriétés, leurs traitements. Par extension, on désigne...) en poche et la coulée en coulée continue)
  • Les basculeurs de poche (maintenance des poches)
  • La métallurgie en poche (mise à nuance affinage de l'acier)
  • La coulée continue (solidification du métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que...) par refroidissement à eau)
  • Les ponts roulants (indispensables pour le transports des poches)

Si l'acier est obtenu avec des ferrailles recyclées, les outils de désulfuration et décarburation sont remplacés par un four (Un four est une enceinte maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage puissant, qui transforme, par la chaleur les produits et les objets. En cuisine, il...) de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une...) électrique qui versera l'acier liquide dans les poches acier.

Certains alliages étant incompatibles avec la solidification (La solidification est l'opération au cours de laquelle un liquide passe à l'état solide. Cela peut se faire par refroidissement (cas le plus courant), par augmentation de la pression, ou bien par une...) par coulée continue, on pratique alors la coulée en lingots.

Réception matières

Les principaux produits utilisés par une aciérie (Une aciérie est une usine servant à produire de l'acier en grandes quantités, généralement sous la forme de produits semi-finis. On distingue...) sont :

  • la fonte et l'oxygène, s'il s'agit d'une aciérie à l'oxygène
  • les ferrailles
  • la chaux
  • les éléments d'alliages
  • les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) réfractaires

Prétraitement de la fonte (aciérie à l'oxygène uniquement)

On y trouve généralement :

  • atelier de désulfuration. En injectant du carbure (Un carbure est un composé chimique du carbone avec un deuxième élément chimique autre que l’oxygène. Ils présentent donc une formulation générale de type CxXy.) de calcium, du magnésium et/ou de la soude, 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.
  • La station de mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de...). En mélangeant des coulées de fontes, il est possible d'optimiser la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie...) ou la composition de la fonte utilisée au convertisseur.

La désulfuration est parfois considérée comme un atelier dépendant des hauts fourneaux. En effet, la réaction chimique étant plus efficace à basse température, elle est réalisée sur la fonte liquide, moins chaude que l'acier liquide. Cependant, il est fréquent de réaliser une désulfuration complémentaire dans l'atelier de métallurgie en poche.

Convertisseur

Le rôle essentiel du convertisseur est de brûler le carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) de la fonte pour arriver à un acier liquide. Mais une série de réactions chimiques se déroulent successivement dans ce réacteur (Un réacteur peut désigner :):

  • combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire...) du silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) dissous dans la fonte. Cette combustion est la première réaction chimique qui se produit dans un convertisseur. Cette combustion produit un grand panache jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même couleur :) caractéristique.
  • combustion du carbone dissous dans la fonte. Cette combustion arrive après celle du silicium. Elle dure plus longtemps (20 minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la...) contre 5 pour le silicium).
  • élimination du phosphore (Le phosphore est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole P et de numéro atomique 15.) venant du minerai. Comme le soufre, cet autre élément fragilisant, on procède par réaction avec de la chaux dans le convertisseur, pour former du PO qui, en allant dans le laitier, sera éliminé par séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs domaines :) d'avec le fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous...) liquide. Cette réaction de déphosphoration vient à la fin du soufflage et doit être maîtrisée car, si elle est nécessaire à l'affinage de la fonte, elle se déroule en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) que la combustion du manganèse, élément d'alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.) bénéfique.

Le phosphore et le manganèse sont issus du minerai de fer. L'abandon des minerais phosphoreux (comme la Minette lorraine) a diminué l'importance de la déphosphoration sans la faire disparaitre. Le manganèse est apprécié comme élément d'alliage (sa présence explique la qualité de certains aciers historiques): sa combustion doit être évitée.

Convertisseur à l'oxygène

Convertisseur à oxygène de type LD au musée technique de Vienne. À sa gauche, on distinge une poche et quatre lingotières pour la coulée en lingot.

Les deux premières réactions de combustion dans un convertisseur sont des combustions très exothermiques. Historiquement l'oxygène venait de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des...) soufflé à la base des convertisseurs de Bessemer et de Thomas. Mais le grand volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) d'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le...) qui était également soufflé refroidissait l'acier.

Pour éviter l'apport d'azote, élément fragilisant, les convertisseurs à oxygène pur ont été développés dans les années 1970. La chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) issue de la combustion du silicium et du carbone a amené à l'ajout de ferrailles comme élément refroidissant. Le bas coût des ferrailles, qui peuvent représenter un quart de la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu...) du convertisseur, permet en outre de diminuer le prix final de l'acier élaboré. Cette innovation a fait disparaître les fours à réverbère inventés par Carl Wilhelm Siemens et Pierre-Émile Martin.

Four électrique

Apparu dans les années 1960, la production d'acier à partir de ferrailles de récupération fondues dans un four électrique a 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 (Un arc électrique est un courant électrique visible dans un milieu isolant (gaz, vide...). La découverte de ce phénomène est due au chimiste et physicien anglais sir Humphry...). L'arc est généré par 3 électrodes en graphite alimentées en courant alternatif (Le courant alternatif (qui peut être abrégé par CA, ou AC, pour Alternating Current en anglais, étant cependant souvent...), ou parfois par une seule électrode fonctionnant en courant continu (Le courant continu est un courant électrique indépendant du temps ou, par extension, un courant périodique dont la composante continue est...).

Avantages

  • La matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état...) première, constituée de ferrailles généralement récupérées à l'aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne...), est compétitive vis-à-vis du minerai et du coke.
  • Cette filière (Une filière est une suite de formalités, d'emplois à remplir avant d'arriver à un certain résultat: la filière administrative.) n'a pas besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins primaires, les besoins...) 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 (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le contexte, selon le milieu considéré et selon ce que l'on peut entendre...) en cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte rosée à...) (élément fragilisant, venant des moteurs (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou...) 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 (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui s'entend...). Même en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité occidentale du continent...), il est difficile de trouver plus d'un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un million un...) de tonnes de ferrailles par an.
Remplissage d'une poche par basculement (Le basculement, dans le domaine de l'astronautique, est l'inclinaison progressive d'un véhicule spatial autour d'un axe quelconque. Le basculement peut être utilisé pour modifier la direction du vecteur poussée.) de la sole (Sole [Sol] est un nom vernaculaire générique qui désigne en français un grand nombre d'espèces de poissons, en général plats sauf exception. Le terme...) d'un four à arc électrique.

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 pour être effectués dans un seul réacteur, le convertisseur. Actuellement, on achève l'élaboration de l'acier liquide après qu'il a 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 (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme...) dissout dans l'acier liquide (oxygène du convertiseur, hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) 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 (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par une...) aval, la coulée.

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 (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu...) 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 (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.), l'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.), le bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.), ... Dans ce cas, ces éléments d'alliages sont consommés, donc gaspillés, avant d'atteindre le métal liquide. Une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un...) 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 (L'addition est une opération élémentaire, permettant notamment de décrire la réunion de quantités ou l'adjonction de grandeurs extensives de même nature,...) des produits destinés à constituer ou amender le laitier.

Schéma d'un RH doté d'une lance à oxygène

Outils de passage au vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.)

On parle parfois de dégazage, le comportement de l'acier liquide dans le vide étant alors semblable à celui d'une bouteille de boisson gazeuse ouverte brutalement. Outre l'expulsion des gaz dissous, le passage au vide favorise les équilibre chimique liés à la désulfuration, à la décarburation,... Deux outils sont généralement utilisés pour passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) l'acier liquide sous vide (valeur pouvant être inférieure à 1 mbar):

Schéma d'un Vide En Cuve
  • 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. Étant donné la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau...) 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 (procédé Ruhrstahl Heraeus). Le vide est créé dans une enceinte communiquant avec le métal liquide: le métal est alors aspiré dans cette enceinte où son exposition au vide permettra d'obtenir les réactions chimiques souhaitées. L'aspiration d'acier se fait au travers de deux plongeurs en réfractaire. Le brassage et la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) d'acier dans l'enceinte est obtenue grâce à l'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) d'argon sur le pourtour d'un des deux plongeurs.


Ces deux installations sont parfois équipées d'une lance à oxygène destinée au réchauffage de l'acier par aluminothermie (L'aluminothermie est la production de hautes températures par réaction exothermique d'aluminium en poudre (réducteur) sur divers oxydes métalliques (oxydant).) (process Oxygène Blowing).

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 décarburation achevé. Étant 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:

  1. Ajout des éléments d'alliages chimiquement "robustes". Typiquement, on peut ajouter du ferromanganèse carburé (une fonte de manganèse), qui va se décarburer partiellement au contact de l'oxygène dissout dans l'acier liquide. Le manganèse est généralement le premier élément d'alliage en termes de quantité: son ajout au plus tôt est donc un moyen d'assurer aussi sa dissolution.
  2. Calmage. Il s'agit de l'ajout d'éléments ayant une forte affinité avec l'oxygène dissout dans le bain, typiquement l'aluminium pour les produits plats, et le silicium (par l'ajout de ferrosilicium) pour les produits longs. Ces éléments, en débarrassant l'acier de son oxygène, vont créer des oxydes qui vont flotter vers le laitier.
  3. 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 ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux...) 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 (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) 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 (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en travaillant sous une atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) 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 (Le transport, du latin trans, au-delà, et portare, porter, est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre.) 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'éléments d'alliage sous forme de poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent sous forme de petits morceaux, en général de taille inférieure au dixième de...). 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 (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).) le dégazage de l'oxygène dissout qui, en montant vers la surface, nettoie et brasse (Le terme Brasse peut désigner :) 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 (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) 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.

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.

Cas des aciers inoxydables

Les aciers inoxydables présentent une forte teneur en chrome (Le chrome est un élément chimique de symbole Cr et de numéro atomique 24.) qui va élever significativement la température du liquidus de l'acier liquide (au-delà de 1 700 °C). Les meilleurs équilibres chimiques métal - laitier réclament des température encore plus élevées que les briques réfractaires ne supportent pas. On travaille donc avec des laitiers très chargés en oxydes de chrome, qui sont retraités et réutilisés.

Coulée

Voir également fabrication de l'acier

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 accueillir deux poches, et de ce fait couler en continu. Le métal s'écoule 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 (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.). En fin de ligne, la brame est coupée à la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...) souhaitée par oxycoupage (un gros chalumeau). Prochaine étape, le laminage.

Coulée en lingot

La coulée en lingot est l'ancêtre de la coulée continue, et n'est pratiquement plus utilisée.

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