Aciérie

thumb|Aciérie avec deux fours à arc électrique.

Une aciérie est une usine servant à produire de l'acier en grandes quantités, sous la forme de produits semi-finis. On distingue généralement deux 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 produite par un haut fourneau.

Historique

Lexicologie : de la forge à l'aciérie

De même que l'histoire de la production de l'acier commence avant celle de l'industrie sidérurgique, le terme « aciérie » a précédé les procédés de la Deuxième révolution industrielle. Il a ainsi pu être utilisé pour désigner les usines produisant un acier naturel ou au creuset. Mais l'acier fondu obtenu au convertisseur se devait d'être distingué des fers obtenus par martelage (notamment les fers puddlés), et la terminologie a alors réservé le terme « aciérie » aux usines modernes fondées sur les procédés Bessemer, Thomas et Martin-Siemens.

Étant donné que tous les procédés d'affinage antérieurs aux convertisseurs faisaient appel à des martelages ou des manutentions répétées de lopins de métal, les usines qui les exploitaient sont qualifiées de « forges ». Au , les forges sont donc des usines où le martelage sert autant à l'affinage du métal qu'à sa mise en forme. Au moment de la disparition de ces procédés d'affinage par martelage, le terme « forge » subi un glissement sémantique : il ne désigne plus que la mise en forme de l'acier issu des aciéries.

Le terme « aciérie » reste maintenant directement corrélé à l'affinage du métal en fusion. Ainsi, les usines fondant les ferrailles au four à arc électrique sont également des aciéries.

Histoire

Les dernières décennies ont vu les outils croître en taille, pour diminuer l'impact économique des pertes thermiques, de la consommation de matériaux réfractaires et du coût de la main d'œuvre. Depuis la généralisation des convertisseurs à l'oxygène et de la coulée continue à la fin des années 1970, les progrès se concentrent essentiellement sur la maîtrise des coûts (non qualité, non fiabilité, mise au mille, consommation d'additifs d'alliage...) et l'amélioration de la flexibilité (adaptation au prix des ferrailles, de l'énergie, production de nouveaux alliages...)

Outils

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

Si l'acier est obtenu avec des ferrailles recyclées, les outils de désulfuration et décarburation sont remplacés par un four de fusion électrique qui versera l'acier liquide dans les poches acier.

Pour les alliages incompatibles avec la solidification par coulée continue, on pratique la coulée en lingots.

Réception matières

Les principaux produits utilisés par une aciérie sont :

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

On y trouve généralement :

atelier de désulfuration. En injectant du carbure 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. En mélangeant des coulées de fontes, il est possible d'optimiser la température 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 de la fonte pour arriver à un acier liquide. Mais une série de réactions chimiques se déroulent successivement dans ce réacteur : combustion du silicium dissous dans la fonte. Cette combustion est la première réaction chimique qui se produit dans un convertisseur. Cette combustion produit un grand panache jaune caractéristique ; combustion du carbone dissous dans la fonte. Cette combustion arrive après celle du silicium. Elle dure plus longtemps (20 minutes contre 5 pour le silicium) ; élimination du phosphore venant du minerai. Comme le soufre, cet autre élément fragilisant, on procède par réaction avec de la chaux dans le convertisseur, pour former du qui, en allant dans le laitier, sera éliminé par séparation d'avec le fer 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 que la combustion du manganèse, élément d'alliage 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.

Les réactions de combustion dans un convertisseur sont des combustions très exothermiques. Historiquement, l'oxygène venait de l'air soufflé à la base des convertisseurs de Bessemer et de Thomas. Mais le grand volume d'azote qui était également soufflé refroidissait l'acier tout en dégradant ses propriétés mécaniques.

Pour éviter l'apport d'azote, les convertisseurs à l'oxygène pur ont été développés dans les années 1970. Le très fort dégagement de chaleur dû à la combustion avec de l'oxygène pur impose l'ajout de ferrailles comme élément refroidissant. Le bas coût des ferrailles, qui peuvent représenter un quart de la charge 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 (aciérie électrique)

Apparue dans les années 1960, la production d'acier exclusivement à partir de ferrailles de récupération fondues dans un four électrique a été posée comme un modèle technico-économique par Nucor aux États-Unis. Elle est une alternative à la filière fonte (haut fourneau - convertisseur) dans laquelle l'acier est produit à partir de minerai de fer.

Les ferrailles sont chargées dans un four avec de la chaux puis fondues à l'aide d'un très puissant arc électrique formé entre trois électrodes en graphite. La température au sein de l'arc atteint plusieurs milliers de degrés, de manière à atteindre la fusion du fer. Pour homogénéiser le mélange et accélérer la fusion, des sources d'énergie d'appoint sont utilisées, comme des brûleurs intégrés dans les parois du four ou des lances à oxygène. Pendant cette première étape, on procède à ce qu'on appelle la métallurgie primaire, c'est-à-dire qu'on se débarrasse des éléments indésirables contenus dans les ferrailles, et qu'on procède à un premier ajustement de la teneur du bain en carbone et autres éléments souhaités. Ainsi, sous l'action de l'oxygène, les différentes impuretés présentes dans le bain forment des oxydes puis se lient avec la chaux qui avait été introduite dans le four. Ces composés, plus légers que l'acier, surnagent au-dessus du bain et forment ce qu'on appelle le laitier. Une fois la totalité des ferrailles fondues, l'acier liquide est transféré dans une poche, dans laquelle ses propriétés (température, composition) seront ajustées avant la coulée. Ces étapes et celles ultérieures sont en fait tout à fait similaires pour la filière fonte et la filière électrique.

La matière première des aciéries électriques est constituée de ferrailles de récupération de diverses origines : chutes des industries de transformation (notamment industrie automobile), copeaux de fraisage, biens de consommation usagés (appareils électroménagers, voitures mises à la casse), acier de construction provenant de la démolition de bâtiments, cendres métalliques de centrales d'incinération, triées à l'aimant.

Le principal avantage de l'aciérie électrique est de contribuer à la décarbonation de l'industrie lorsque l'électricité est produite de façon décarbonée. 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). De plus un four électrique est beaucoup plus flexible et robuste qu'un haut fourneau.

La qualité des ferrailles utilisées est déterminante pour la qualité de l'acier fabriqué. En effet, les diverses impuretés qu'elles contiennent sont susceptibles de modifier les caractéristiques des produits finaux. On surveille particulièrement la teneur en cuivre, en nickel, en chrome et en vanadium, dans la mesure où ces éléments s'oxydent moins facilement que le fer et ne peuvent donc pas être brûlés dans le four par les lances à oxygène. Cette contrainte limite généralement la filière électrique à la fabrication de produits longs et aux commodités. Dans les parcs à ferraille, il faut également ouvrir l'œil à la recherche des récipients creux (risque d'explosion), de béton (risque de casse des électrodes), d'huiles, de graisses et de zinc (risque de pollution), et vérifier que les charges préparées ne sont pas trop humides (risque d'explosion là encore).

Site de Brescia, en Italie Dans les années 1960, apparait dans la province de Brescia, au nord de l'Italie, un nouveau type d'aciérie compacte combinant la fusion de ferrailles au four électrique avec les coulées continues de billettes. La production consiste en des produits longs de petites section en nuances courantes (ronds à béton, fers marchands, fils,…). Le four électrique y est amené à de hautes performances et la coulée continue est une machine entièrement courbe, modulaire, dépouillée au maximum, coulant à grande vitesse, avec une production visée de par ligne et par an.

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, ou , est apparue lorsque les alliages à élaborer devenaient trop complexes pour être effectués dans un seul réacteur, le convertisseur. On finalise 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 dissous dans l'acier liquide (oxygène du convertisseur, hydrogène des ferrailles, azote) ; éliminer les inclusions 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.

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.