ELABORATION DES ACIERS INOXYDABLEShazzar.free.fr/Polytech/5A/Poirier/PDF Cours + TD... · 2011-12-05 · La fabrication des aciers inoxydables 4 étapes 1. L’élaboration Une phase

ELABORATION DES ACIERS

INOXYDABLES

La fabrication des aciers inoxydables 4 étapes

1. L’élaboration

Une phase de fusion dans un four à arc puis une opération

d’affinage


1. L’élaboration


d’affinage

2. La coulée et la solidification

sous forme de lingots ou par coulée continue (de plus en plus

utilisée)


1. L’élaboration


d’affinage



utilisée)

3. La transformation à chaud

le plus souvent par laminage, plus rarement par forgeage


1. L’élaboration


d’affinage



utilisée)

3. La transformation à chaud

le plus souvent par laminage, plus rarement par forgeage

4. La transformation à froid

par laminage pour les produits plats, par laminage et tréfilage

pour les produits longs

• Fusion en four électrique

• Affinage

• Métallurgie secondaire en poche

1. L’ELABORATION DES ACIERS INOXYDABLES

Considérations physico-chimiques du système Fe-O-C-Cr

Le problème métallurgique à résoudre :

Durant l’élaboration, décarburer les charges liquides riches

en chrome

Dans le système Fe-O-C-Cr, coexistence de 3 phases :

-le métal liquide

- une phases d’oxydes liquides et/ou solides (laitier)

- une phase gazeuse essentiellement constituée de CO


L’équilibre chimique contrôlant l’oxydation du carbone

dans un alliage Fe-C :

CrxOy (solide) +y C = y CO(gazeux) +x Cr

Où la constante d’équilibre K est définie par :

K = aCrx . PCO

y / a CrxOy . aCy

• a : activité thermodynamique

• P : pression en atmosphère


Pour des teneurs en chrome supérieures à 9% : Il ne se

forme qu’un oxyde de chrome :

L’équilibre chimique contrôlant l’oxydation du carbone

dans un alliage Fe-O-C-Cr s’écrit :

Cr3O4 + 4 C 4 CO(gaz) + 3 Cr

Point clé : décarburer un bain à teneur en chrome élevé

Compétition entre oxydation du chrome et du carbone

Cr3O4 + 4 C 4 CO(gaz) + 3 Cr

Avec logC = (0,75 log Cr + 0,024 Cr) + log P(CO) +12212/T –(8,06 + 0,012 Ni)


L’ELABORATION DES ACIERS INOXYDABLES

L’oxydation du carbone est donc favorisé par :

• une température T élevée

• une pression partielle P(CO) faible

• une teneur en carbone % C élevée

• une teneur en chrome % Cr faible

Ces relations sont schématisés sur les graphes de Hilty

De la relation : Cr3O4 + 4 C 4 CO(gaz) + 3 Cr, on en déduit

:

Relation : température, teneur en chrome sous 1 atm à l’équilibre

thermodynamique

Effet de la pression partielle de CO sur la relation d’équilibre Fe-Cr-C-O

en fonction de la température

Courbes de Hilty calculées à partir de la formule :

logC = (0,75 log Cr + 0,024 Cr) + log P(CO) +12212/T –(8,06 + 0,012 Ni)

Pour P=1at.

Domaine

supérieur

Pour une pression partielle de CO donnée, la courbe de Hilty

sépare deux domaines :

1. Le domaine supérieur oxydation préférentielle du carbone

2. le domaine inférieur oxydation préférentielle du chrome

Pour P=1at.

Domaine

inférieur

Les élaborations à pression atmosphérique nécessiteraient :

• une température élevée > 1800°C, jusqu’à 2000°C

• % chrome réduit

et entraîneraient :

• des usures des réfractaires importants

• des compléments en chrome après décarburation sous forme

d’alliage FeCr à bas C

d’où des coûts élevés et un productivité réduite

Face à cette problèmatique industrielle :

coûts élevés et un productivité réduite

que proposez vous ?

2 grandes familles de filière :

1. Mise sous vide de l’enceinte de décarburation : VOD, RH-OB, KALDO-VAC

2. dilution du CO formé par injection :

• de vapeur d’eau CLU

• De gaz neutre AOD

Procédés de décarburation finale des aciers inoxydables

Décarburation sous vide

Procédés de décarburation finale des aciers inoxydables

Décarburation par injection de gaz mixtes

La filière la plus utilisée aujourd’hui comprend

successivement :

• fusion d’une charge au four électrique

• affinage à l’AOD

• métallurgie en poche

Filière AOD

d’élaboration

des aciers inoxydables

Electrodes

Le four électriqueLa charge

Ferraille

Fusion d’une charge au four électrique

Principe d’un four électrique

Four électrique après fusion

Coulée du métal par le

trou de coulée excentré

Electrodes

L’ELABORATION DES ACIERS INOXYDABLES A L’AOD

Transformer une fonte liquide alliée

( 1 à 2% carbone + Cr,Ni, Mo …. selon nuance)

en un acier inoxydable

réglé en analyse et température

1. ENFOURNEMENTS

• Fusion préalable au four électrique d’une charge composée de :

• chutes d’inox, internes et commerce

• ferrailles bas phosphore

• ferrailles ordinaires

• charge chrome

•Nickel

• ferroalliages divers

• Refusion en AOD de

• charge chrome

• ferrailles

• chutes inox

• nickel

• ferro alliages divers

2. LES FONCTIONS DE L’AOD

4 fonctions principales

1. décarburation

2. réduction / désoxydation

3. désulfuration

4. réglage analytique et thermique

L’outil AOD

O2

Convertisseurs AOD pour production d’acier inoxydable

( Microsteel, Durban, Afrique du Sud)

La décarburation

Rappel

L'oxydation du Carbone dans un bain Fe-Cr est favorisée par:

* une température T élevée

* une pression partielle P(CO) faible

* une teneur en Carbone % C élevée

* une teneur en Chrome % Cr faible .

La décarburation

Rappel






> on cherche à obtenir très rapidement une température de 1700 °C,

compromis entre décarburation et usure modérée des réfractaires,

puis à la maintenir par ajout d’additions.

La décarburation

Rappel






> on cherche à obtenir très rapidement une température de 1700 °C,

compromis entre décarburation et usure modérée des réfractaires,

puis à la maintenir par ajout d’additions.

> l’abaissement de la pression partielle PCO est obtenu en diluant

CO par un gaz neutre (azote ou argon), injecté par les tuyères avec

1' oxygène.

Cette dilution sera d' autant plus importante que:

% Carbone sera faible

% Chrome sera élevé,

en conséquence, la décarburation sera réalisée en phases

successives à ratios O2/GN de plus en plus faible, par exemple:

•7/1 jusqu’ à C=0,8 %

• puis 3/1 jusqu’ à C=0,5 %

•puis 1/1 jusqu’à C=0,l50%

•1/2,5 jusqu’ à C=0,09% enfin 1/4 jusqu' à C=0,050 %

•le gaz neutre est souvent de l' Azote en début de décarburation

( 8 fois moins cher que l'Argon ), puis de l’Argon en fin de process

pour réaliser la visée analytique Azote de la nuance.

• le gaz neutre sert également de fluide de refroidissement des

tuyères

• la décarburation est pilotée par des modules alliant thermo-chimie

et balistique.

Selon leurs performances, il sera nécessaire de réaliser 1 ou

plusieurs prélèvements un cours de la décarburation pour

recaler les soufflages.

La refusion.

Les réactions d’oxydation sont exothermiques:

brûler 1 % de C réchauffe de 65 °C

1 % de Cr 100°C

1 % de Si 300 °C

La refusion.

Les réactions d’oxydation sont exothermiques:

brûler 1 % de C réchauffe de 65 °C

1 % de Cr 100°C

1 % de Si 300 °C

La température du bain doit être maintenue vers 1700 °C, meilleur compromis entre:

•rendement de décarburation

•et tenue du garnissage dolomitique.

Pour cela, des additions de matières refroidissantes sont réalisées durant la

décarburation: chutes inox, ferrailles, ferro-alliages, nickel

L’ idéal étant de réaliser ces additions en continu pour ne pas interrompre la

décarburation et maintenir la température à 1700 °C sans variations excessives.

La réduction / désoxydation.

En fin de décarburation, le métal et le laitier sont très oxydés, le

laitier contient jusqu’à 30 % Cr203

La réduction a pour objet de désoxyder le métal et de réduire le

laitier, principalement les oxydes de chrome et de manganèse.

La réduction / désoxydation.

En fin de décarburation, le métal et le laitier sont très oxydés, le

laitier contient jusqu’à 30 % Cr203

La réduction a pour objet de désoxyder le métal et de réduire le

laitier, principalement les oxydes de chrome et de manganèse.

La réduction est généralement réalisée par ajout de ferro-

silicium à 75 % Si, ainsi que de chaux pour neutraliser la silice et

favoriser la réaction ci-dessous:

2 Cr2O3 + 3 Si —> 4 Cr + 3 SiO2 ainsi que du spath pour

fluidifier le laitier (si nécessaire).

Après réduction, le laitier contient

moins de 1 % de Cr203

La_désulfuration

Selon les nuances élaborées, la présence de soufre pourra être :

• souhaitée à des niveaux plus ou moins élevés (usinabilité, soudabilité)

• ou proscrite (corrosion, transformation).

La_désulfuration

Selon les nuances élaborées, la présence de soufre pourra être :

• souhaitée à des niveaux plus ou moins élevés (usinabilité, soudabilité)

• ou proscrite (corrosion, transformation).

Généralement, la désulfuration est réalisée par échange entre:

• le métal désoxydé

• et un laitier riche en chaux (basicité > 2), fluidifié par du

spath.

L’ AOD est particulièrement bien adapté pour favoriser les échanges entre métal

et laitier par brassage par injection de gaz neutre ( Argon ) par les tuyères.

Les réglages analytiques et thermiques

Les additions en cours de décarburations sont calculées,

généralement par un modèle, en fonction de :

•l' analyse et du poids de métal initial

• et de T analyse et du poids de métal visés.






Le % Carbone et la température sont généralement mesurés 1

fois (voire 2) en cours de décarburation.

L’ analyse complète est réalisée après réduction, et sert au calcul du réglage final






Le % Carbone et la température sont généralement mesurés 1

fois (voire 2) en cours de décarburation.

L’ analyse complète est réalisée après réduction, et sert au calcul du réglage final

La température est réglée en fonction

•des opérations ultérieures (métallurgie en poche, calage des coulées en

séquence)

•et de l’état thermique de la poche de coulée.

Durée d' élaboration: de 45 mn à 2 h selon nuance.

Nb coulées /jour: de 8 à 28

Tonnage / coulée: de 5 à 140 tonnes

Production annuelle: jusqu’ à 600 kt pour AOD de 120 t

Oxygène m3/t: de 15 à 35

Azote m3/t: de 7 à 20

Argon m3/t: de 6 à 20

Garnissage (dolomie): de 90 à 120 coulées

Quelques ordres de grandeur

2. COULEE ET SOLIDIFICATION

• coulée en lingots

• coulée continue classique

• coulée de brames minces

• coulées de bandes minces

Coulée en source

Technique ancienne encore utilisée pour des

nuances ou des formats particuliers

Représentation schématique de 3 coulées continues

La coulée continue

Coulée continue

Brame

Oxycoupage

Lingotière

Poche d’acier liquide

Répartiteur

Rouleaux

extracteurs

Aspects thermiques du fonctionnement de la coulée continue

Une machine de coulée continue = un échangeur thermique

La maîtrise des transferts de chaleur dans la lingotière et le refroidissement

secondaire sont essentiel pour l’obtention de produits coulés sans défauts

Plancher de coulée continue

Extraction du métal solidifié sous la forme de brames

Extraction du métal solidifié sous la forme de brames

Refroidissement et oxycoupage d’une brame

Coulée continue de billettes

Coulée continue de barres

Au delà de la coulée continue classique

• La coulée continue est un compromis technologique

/ qualité / coût issu des années 50-70

– Après un saut technologique, elle s’est développée par

progrès incrémental

• On veut aujourd’hui couler plus près des cotes

finales et donc réduire les coûts de production,

d’investissement, le temps de fabrication, etc. …

Nouveau saut technologique

Quel est ce saut technologique ?

• Passage de la CC de blooms à la CC de billettes

• Passage de la CC de brames à celle de brames

minces (10 Mt aujourd’hui dans le monde)

• Passage de la CC de brames à celle de bandes

minces (2 à 3 mm) voir très minces (< 1 mm) ?

• Meme tendance au near net shape dans les

produits longs(profilés minces, fil millimétrique et micrométrique)

Coulée de brame mince

(machine type HAZELETT)

Coulée de bandes

minces

Coulée de bandes

minces entre cylindres

Les mutations de la coulée continue :

coulée de bandes minces (ep 2 à 3 mm)

3. LA TRANSFORMATION

Le laminage des produits plats

Le laminage planétaire

Le laminage Steckel

FOURS A BRAMES CAGES DEGROSSISSEUSES CAGES FINISSEUSES BOBINEUSES

Le train à bande

un procédé simple : entraîner et écraser le métal chaud

Les produits obtenus par laminage

Four de

réchauffage

Tôle en cours de laminage

Cages finisseuses

Une brame (L=10m,ep = 25 cm, l=2m ) bobine ( L> 1Km, ep =2mm)

Les bobines d’acier laminées à chaud

Laminage des produits plats

Laminoir planétaire

Laminoir steckel

Documents

ELABORATION DES ACIERS INOXYDABLEShazzar.free.fr/Polytech/5A/Poirier/PDF Cours + TD... · 2011-12-05 · La fabrication des aciers inoxydables 4 étapes 1. L’élaboration Une phase