S'il y a bien une chose qui distingue une chauffe EAF réussie d'une chauffe chaotique, c'est la qualité de la matière première. Votre bac à ferraille est votre matière première la moins chère, mais aussi parfois la plus problématique. Un chargement correct garantit une fusion optimale ; un chargement incorrect entraîne des pics de phosphore, des temps de coulée excessifs et des pertes d'alliage. Ce guide explique le fonctionnement d'un four EAF, les points à surveiller et comment les opérateurs expérimentés gèrent les différentes variables.
Ferraille : le cœur du processus
Pourquoi les contrôles de qualité des déchets sont-ils essentiels ?
Dans la plupart des aciéries à four électrique à arc (EAF), les déchets métalliques représentent 60 à 100 % de la charge métallique. Autrement dit, la composition chimique, la densité et la propreté de vos déchets influencent directement le déroulement de la fusion. Un seau de déchets triés et de qualité connue fond plus rapidement, nécessite moins d'additifs et produit un acier plus propre. Un seau de déchets de qualité inconnue ? C'est un pari risqué qui vous coûtera cher en temps et en additifs.
L'enjeu n'est pas purement théorique. La qualité des déchets influe sur :
- La vitesse à laquelle vous fondez (la densité et la taille sont extrêmement importantes)
- Quelle quantité de phosphore et de soufre combattez-vous pendant la période d'oxydation ?
- Si la présence d'éléments résiduels (Cu, Sn, Cr, Ni) vous fait sortir du cadre des spécifications
- La quantité d'hydrogène récupérée (les déchets rouillés et huileux constituent un véritable problème).
- Dans quelle mesure la recharge est-elle sûre (les conteneurs scellés tuent des gens)
Tri des déchets : déchets achetés vs retours à domicile
En pratique, les déchets se répartissent en deux grandes catégories, et leur gestion est très différente.
La ferraille achetée provient de diverses sources : chantiers de démolition, véhicules hors d’usage, casses automobiles. Sa composition est aléatoire et il est possible que vous ne la connaissiez pas précisément. Parmi la ferraille achetée, certaines sous-catégories sont importantes :
- Déchets lourds : plaques, billettes, profilés de plus de 6 mm d’épaisseur. Denses, fondants lents, mais à haut rendement. Idéaux pour le fond du bac.
- Déchets de taille moyenne : épaisseur de 3 à 6 mm. Profilés en acier, tuyaux, pièces de machines. C’est votre matériau de charge principal.
- Déchets légers : tôles fines, fer-blanc, fil de fer. Faible densité, volume important. Mettez-les en balles avant de les mettre dans le godet, sinon vous y passerez la journée.
- Ferraille broyée : Carrosseries automobiles et autres matériaux similaires, traités au broyeur. Calibrage uniforme, densité apparente modérée, relativement propre. Appréciée par de nombreux ateliers pour son comportement constant à la fusion.
Les rebuts de production (aussi appelés déchets internes) sont les chutes de coupe, les rebuts et les rebuts de laminage produits par votre propre aciérie. Leur composition chimique est connue puisque vous avez fabriqué l'acier. Il s'agit d'une matière première de première qualité, notamment pour les alliages où l'on souhaite récupérer des éléments coûteux comme le nickel, le molybdène ou le chrome. Triez-les par nuance, stockez-les séparément et utilisez-les judicieusement. Un seau de rebuts d'acier inoxydable 304 destiné à une coulée d'acier inoxydable 304 est en réalité constitué de déchets pré-alliés. C'est une économie substantielle.
À quoi ressemble "Good" Scrap ?
Les acheteurs de ferraille expérimentés développent un œil pour cela, mais voici les points non négociables :
Surface propre, rouille minimale. La rouille est signe d'humidité, et l'humidité favorise l'absorption d'hydrogène. Pire encore, l'eau emprisonnée se transformant en vapeur dans le bain de fusion peut provoquer de violentes éruptions, un véritable danger. Les déchets huileux ne sont pas mieux ; ils brûlent en fumée et encrassent le filtre à manches. Les meilleurs ateliers disposent d'un parc à ferraille protégé des intempéries. Acheter de la ferraille restée sous la pluie, c'est prendre des risques.
Pas de métaux non ferreux. Le cuivre et l'étain sont à proscrire. Ils ne s'éliminent pas dans le four : ce qui y entre y reste. Au-delà de 0,3 % environ de cuivre, des problèmes de fragilité à chaud surviennent lors du laminage. L'étain aggrave le problème. Aluminium, plomb, zinc : aucun de ces métaux n'a sa place dans votre stock. Les ferrailleurs de qualité disposent de systèmes de tri, mais en tant qu'aciérie, vous devez assurer vous-même le contrôle à réception. Le contrôle par étincelage et la spectrométrie sont indispensables ; il s'agit d'un contrôle qualité de base.
Absolument aucun récipient scellé. Il s'agit d'une règle de sécurité, et non d'une exigence de qualité, mais elle doit être mentionnée car les conséquences sont graves. Un tuyau ou une bouteille de gaz scellé(e) chauffe, la pression augmente et il peut exploser à l'intérieur du four. Des personnes sont décédées de cette manière. Chaque entreprise de recyclage de métaux qui approvisionne un atelier de four à arc électrique doit se soumettre à un protocole d'inspection et de tri rigoureux. Sans exception.
Composition chimique connue. Pour les déchets achetés, c'est là que réside la difficulté. On peut estimer approximativement la teneur en carbone et en alliage par un test d'étincelles. On peut aussi analyser un échantillon au spectromètre. Mais pour les chargements mixtes, les données sont souvent incomplètes. Triez par qualité lorsque c'est possible. Pour le reste, conservez les matériaux séparés jusqu'à ce que vous connaissiez leur composition.
Taille et densité apparente appropriées. Les déchets trop longs ne passeront pas la porte du four et formeront un pont dans le godet ou le four, créant ainsi une voûte qui empêchera la fusion. En règle générale, leur longueur ne doit pas dépasser un tiers à la moitié du diamètre de l'ouverture du four. La densité apparente est également importante : trop faible, et vous devrez charger trois godets pour une seule coulée ; trop élevée, et l'arc électrique ne pourra pas pénétrer, laissant des résidus non fondus au fond. La valeur optimale se situe entre 0,6 et 1,5 t/m³.
Contrôle du soufre et du phosphore. Les déchets ordinaires devraient idéalement contenir moins de 0,05 % de soufre et 0,05 % de phosphore. Une teneur élevée en phosphore n'est pas rédhibitoire, mais elle allonge la durée d'oxydation et consomme davantage de scories. Renseignez-vous bien avant d'acheter.
Matériaux d'alliage : maîtriser la chimie
Que font réellement ces dispositifs ?
Les éléments d'alliage modifient la composition chimique de l'acier en fusion afin que le produit final soit conforme aux spécifications. Certains sont principalement des désoxydants qui ajoutent également des éléments d'alliage (silicium, manganèse). D'autres sont de purs éléments d'alliage (nickel, molybdène, chrome). Tout l'art consiste à les ajouter au bon moment et dans les bonnes proportions pour atteindre l'objectif sans gaspiller de matières premières coûteuses.
Les ferroalliages courants
Si vous avez déjà passé du temps dans un entrepôt de ferroalliages, vous savez que la liste des produits en stock est longue. Voici ceux que vous utiliserez réellement à chaque coulée :
Le ferrosilicium (FeSi) à 75 % de silicium est le plus couramment utilisé. Il désoxyde et ajoute du silicium. La granulométrie est importante : trop grosse, elle ne se dissoudra pas avant la coulée ; trop fine, elle sera perdue dans le dépoussiéreur. Une granulométrie de 10 à 50 mm est courante.
Le ferromanganèse (FeMn) est disponible en trois qualités : haute teneur en carbone (2 à 8 %), moyenne teneur en carbone (0,7 à 2 %) et faible teneur en carbone (≤ 0,7 %). Votre choix dépend de la teneur en carbone que vous pouvez tolérer lors de son ajout. Si vous terminez une cuisson à faible teneur en carbone, le FeMn à haute teneur en carbone est déconseillé.
Le ferrochrome (FeCr) est indispensable pour le traitement thermique de l'acier inoxydable ou allié. Il existe en différentes qualités : haute, moyenne, basse et très basse teneur en carbone. Les ateliers de transformation de l'acier inoxydable consomment des quantités considérables de ferrochrome à basse teneur en carbone. Ce produit est coûteux ; manipulez-le avec précaution.
Ferromolybdène (FeMo). Contient environ 55 à 65 % de molybdène. Utilisé dans les aciers de construction alliés et les aciers à outils. Le molybdène est coûteux ; son recyclage est donc important. Il est conseillé de l'ajouter une fois la désoxydation bien amorcée, sous peine de pertes importantes par oxydation.
Autres ferroalliages spéciaux : le ferrotungstène pour les aciers rapides, le ferrovanadium pour le micro-alliage (résistance et ténacité), le ferrotitane pour la désoxydation et l’affinage du grain, et le ferroboron pour l’ajout de traces de bore. Chacun a son utilité.
Métaux purs
Parfois, un ferroalliage ne suffit pas. Il faut l'élément pur.
Nickel : Plaques ou pastilles de nickel électrolytique. Indispensable pour les nuances contenant du nickel. Non oxydable, il peut donc être ajouté dès le début.
Aluminium : puissant désoxydant. À ajouter sous forme de fil, de grenaille ou de lingot. À incorporer en fin de processus, car l’aluminium s’oxyde facilement et tout ajout trop précoce entraînera des pertes.
- Manganèse métallique : utilisé lorsque vous avez besoin de manganèse sans le carbone présent dans le ferromanganèse à haute teneur en carbone.
Comment sélectionner et manipuler les matériaux d'alliage
Quelques principes de base que suivent les fondeurs expérimentés :
- Maîtrisez votre analyse. Chaque lot d'alliage doit être accompagné d'un certificat d'usine. Si le fournisseur ne peut pas vous en fournir un, changez de fournisseur.
- Choisissez une taille appropriée. Rien ne doit dépasser 100 mm environ. L'objectif est qu'elle se dissolve rapidement et complètement dans le bain.
- Maintenez-le au sec. L'humidité favorise la formation d'hydrogène. Cuisez les alliages avant de les introduire dans le four ou la poche de coulée. Ceci est particulièrement important pour les alliages fins comme le ferrovanadium ou l'aluminium.
Pensez au coût. Si vous pouvez obtenir la même désoxydation avec un alliage silicium-manganèse plutôt qu'avec des ajouts séparés de ferrosilicium et de ferromanganèse, faites-le. C'est généralement moins cher et toujours plus simple.
Matériaux de formation de scories : tirer le meilleur parti des scories
Pourquoi les scories sont plus importantes que vous ne le pensez
Les débutants se concentrent sur l'acier en fusion. Les fondeurs expérimentés, eux, se concentrent sur le laitier. C'est dans le laitier que se déroule la véritable métallurgie : le phosphore et le soufre s'en échappent, les inclusions sont absorbées, l'arc est protégé et le revêtement est préservé. Une mauvaise gestion du laitier compromet tout le reste.
Chaux (CaO) : La Fondation
La chaux est le principal matériau de formation du laitier dans un four à arc électrique. Il faut utiliser de la chaux vive (calcinée à 900-1100 °C), poreuse, à grande surface spécifique et à dissolution rapide. La chaux dure (calcinée à 1200-1400 °C) est plus dense et plus lente à réagir. Elle fonctionne, mais complique la tâche.
Critères de choix d'un citron vert :
Paramètre cible
Teneur en CaO ≥85% (≥90% pour la chaux active)
SiO₂ ≤3%
Soufre ≤0,05%
Taille des particules : 10–50 mm
Sous-combustion / sur-combustion Minimale
Si votre fournisseur de chaux vous livre des produits trop cuits, discutez-en avec lui. Cela influe sur le temps de formation du laitier et sur l'efficacité de votre désulfuration.
Fluorure de calcium (CaF₂) : Le flux
La fluorine abaisse le point de fusion et la viscosité du laitier. Elle est nécessaire pour amorcer la formation du laitier pendant la fusion et pour maintenir sa fluidité. Cependant, son utilisation doit être judicieuse : un excès de 15 à 20 % du poids de la chaux peut corroder le revêtement du four et libérer du fluor dans le système de dépoussiérage. La réglementation environnementale en vigueur dans de nombreuses régions limite désormais les émissions de fluor ; il s’agit donc d’un enjeu de plus en plus important, tant en matière de conformité que de propriétés réfractaires.
Dolomite (CaCO₃·MgCO₃) : Protection du revêtement de four
La dolomite calcinée enrichit votre laitier en oxyde de magnésium (MgO). Pourquoi est-ce important ? Parce que le revêtement de votre four est à base de magnésie. Un laitier pauvre en MgO dissoudra le revêtement pour atteindre son propre équilibre. Un laitier contenant suffisamment de MgO, en revanche, le préservera. C'est un principe simple qui a un impact significatif sur la durée de vie des réfractaires.
Autres matériaux de scories
Le calcaire (CaCO₃) peut remplacer la chaux en cas de besoin, mais il se décompose de manière endothermique dans le four, absorbant ainsi de la chaleur. Il convient donc de l'utiliser avec parcimonie.
Les morceaux de briques d'argile sont parfois utilisés pour ajuster le laitier pendant la période de réduction lorsqu'il est nécessaire de diminuer la basicité.
La bauxite (Al₂O₃) peut stabiliser le laitier et améliorer ses performances dans certaines coulées d'alliages à haute teneur.
Agents oxydants : moteurs des réactions de dépollution
L'oxygène : l'outil principal
De l'oxygène est insufflé dans le bain par une lance. Il agit simultanément sur trois fronts : décarburation (génération de CO qui provoque l'ébullition du bain), oxydation du phosphore pour son élimination et dégagement de chaleur facilitant la fusion des déchets. Les fours à arc électrique modernes utilisent plusieurs points d'injection d'oxygène (lance, injecteurs muraux, voire agitation par le fond) afin d'assurer un contact optimal avec le bain.
La pression et le débit d'oxygène sont ajustés en fonction de la phase de chauffe. Un réglage trop élevé trop tôt et vous risquez des projections d'acier en fusion hors du four. Un réglage trop faible et la phase d'oxydation s'éternise.
Minerai de fer et calamine
Le minerai de fer (Fe₂O₃) apporte de l'oxygène de façon traditionnelle : il se décompose dans le bain chaud et libère de l'oxygène. C'est plus lent que l'oxygénation par lance, mais utile comme oxydant d'appoint, surtout en début de fusion lors de la formation du laitier oxydant.
La calamine (Fe₃O₄) est la couche d'oxyde qui se détache lors du laminage. Peu coûteuse, elle est un oxydant et favorise la formation de scories. De nombreux ateliers la considèrent comme un sous-produit gratuit. N'hésitez pas à l'utiliser.
Utilisation sûre et efficace des oxydants
Quelques règles pour éviter les maux de tête :
N'ajoutez pas d'oxydant avant d'avoir un bain de fusion. L'oxydant froid appliqué sur des déchets solides est simplement absorbé et n'a aucun effet utile.
Ajoutez le minerai de fer par petites quantités. Verser une grande quantité de matériau froid dans un bain chaud peut faire chuter la température.
- Maîtrisez votre apport d'oxygène. Une ébullition vigoureuse est souhaitable ; l'acier en fusion qui jaillit du four ne l'est pas.
Désoxydants : Nettoyer le bain
Le spectre de la force
Les désoxydants ont des niveaux de puissance variables, allant de puissants à doux. Il convient de les utiliser selon un ordre précis :
Les désoxydants puissants, comme l'aluminium, sont les plus importants. Ils présentent une très forte affinité pour l'oxygène et sont généralement ajoutés en fin de réaction, à raison de 0,1 à 0,3 % du poids total. Les composites aluminium-manganèse-fer associent la résistance de l'aluminium aux propriétés d'alliage du manganèse.
Désoxydants de force moyenne — Le ferrosilicium (75 % Si) est le désoxydant par précipitation standard. Le ferromanganèse remplit une double fonction : désoxydant et élément d’alliage. L’alliage silicium-manganèse (SiMn) est un composite plus performant que ces deux éléments pris séparément : meilleure récupération, moindre formation d’inclusions.
Désoxydants faibles — Le carbone, via la réaction C–O, est l'agent de désoxydation par diffusion classique pendant la phase de réduction. Le manganèse est également faible, mais il contribue à structurer les produits de désoxydation afin de faciliter leur élimination.
Comment la désoxydation fonctionne-t-elle réellement en pratique ?
Vous disposez de deux mécanismes fondamentaux, et vous utiliserez généralement les deux :
La désoxydation par précipitation consiste à ajouter directement le désoxydant à l'acier en fusion. Les produits de désoxydation se forment et remontent à la surface. Ce procédé est rapide et simple, mais certains produits restent inévitablement piégés avant de pouvoir remonter à la surface.
La désoxydation par diffusion consiste à ajouter le désoxydant au laitier, et non à l'acier. En réduisant l'activité de l'oxygène dans le laitier, on crée une force motrice qui favorise la diffusion de l'oxygène de l'acier vers le laitier. Ce procédé est plus lent, mais il permet d'obtenir un acier plus propre.
La pratique moderne les combine presque toujours : une désoxydation par précipitation pour obtenir une réduction rapide de l'oxygène, puis une désoxydation par diffusion sous un laitier réducteur bien entretenu pour obtenir un bain aussi propre que possible.
Recarburateurs : Quand vous avez besoin de plus de carbone
Les options communes
Il arrive que votre bain contienne moins de charbon actif. Vous devez en ajouter et vous souhaitez une bonne récupération. Voici vos options :
Déchets d'électrodes : graphite, haute teneur en carbone (≥ 95 %), faible teneur en soufre, excellent rendement. C'est le choix par excellence.
- Coke de pétrole : teneur élevée en carbone, faible teneur en cendres, bon taux de récupération. Attention à la teneur en soufre.
- Coke de brai : Bonne teneur en carbone, faible teneur en cendres, excellentes performances de récupération.
- Fonte brute : Elle apporte du carbone (3,5 à 4,5 %) ainsi que du silicium et d’autres éléments. C’est une voie de recarburation indirecte, mais parfois utile.
Réussir la recarburation
Le taux de récupération se situe entre 80 et 95 %, mais il dépend de la méthode employée. Ajoutez le recarburant lorsque le bain est bien agité ; il doit se dissoudre rapidement et se répartir uniformément. Séchez-le au préalable. Ajoutez les grandes quantités par lots ; tout verser d'un coup risque de dépasser la quantité cible et de provoquer une surchauffe, une erreur très coûteuse.
Le reste de l'inventaire
Matériaux de réparation de fournaises
Après chaque chauffe (ou toutes les quelques chauffes, selon l'usure), on répare le fond et les parois. La magnésite (MgO) et la dolomite sont les matériaux de réparation standard. Le goudron ou le silicate de sodium sert de liant. La projection à chaud – qui consiste à pulvériser un matériau réfractaire sur les parois chaudes du four – est la méthode moderne standard pour les réparations de grandes surfaces. Ce procédé est rapide et utilise la chaleur résiduelle pour fritter le matériau de réparation.
Métal en fusion comme composant de charge
Ce sujet mérite une attention particulière, contrairement à ce que l'on observe dans de nombreux manuels. L'ajout de 20 à 40 % de métal en fusion à la charge de votre four à arc électrique change véritablement la donne :
- La chaleur sensible et la chaleur chimique provenant de l'oxydation du carbone et du silicium peuvent réduire la consommation d'énergie de 100 à 200 kWh par tonne.
- Le temps entre deux clics diminue de 10 à 20 minutes.
- Le métal en fusion dilue les éléments résiduels provenant des déchets, ce qui vous permet d'obtenir une chimie de départ plus pure.
En contrepartie, il faut disposer d'une source de métal en fusion, provenant soit de son propre haut fourneau, soit d'une aciérie intégrée à proximité. Mais là où elle est disponible, l'alimentation en métal en fusion est devenue une pratique courante dans les aciéries modernes à arc électrique à haute productivité.
La gestion des matières premières ne sera jamais l'aspect le plus glamour de la sidérurgie. Mais si elle est maîtrisée, tout le reste devient plus simple. Les aciéries qui considèrent le tri des déchets, la gestion des alliages et le traitement des scories comme des disciplines techniques fondamentales – et non comme de simples décisions d'achat – sont celles qui atteignent systématiquement leurs objectifs de qualité, de coût et de productivité.
