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Issue
Matériaux & Techniques
Volume 108, Number 1, 2020
Article Number 104
Number of page(s) 15
Section Métaux et alliages / Metals and alloys
DOI https://doi.org/10.1051/mattech/2020017
Published online 19 June 2020

© SCF, 2020

1 Introduction

Dans la production des aciers inoxydables, se posa très rapidement le problème fondamental de l’élaboration d’aciers inoxydables à bas carbone (< 0,1 %C et jusqu’à < 0,03 %C), pour les utilisations où la résistance aux multiples formes de corrosion est primordiale, ce qui est le cas général (sauf pour quelques applications mécaniques) (Partie I, Annexes A & B). L’affinage à l’oxygène permet classiquement de décarburer un bain d’acier liquide, mais dans le cas des aciers inoxydables le chrome s’oxyde en même temps que le carbone. Le challenge est donc de maintenir le chrome dans le bain tout en oxydant le carbone, ce qui n’est possible qu’en jouant finement sur les paramètres (pressions partielles, températures, teneur en chrome) de la thermochimie d’équilibre. Les aciéristes ont appris à décrypter, d’abord empiriquement puis thermodynamiquement, ces équilibres, à en jouer de plus en plus finement, à mesure que des avancées technologiques (haute température au four électrique, générateurs de vide, injection de gaz neutres diluants) leur donnaient des moyens d’action supplémentaires.

La première démarche de fusion-décarburation (affinage oxydant) se fit d’abord dans le seul four électrique à arc. Elle n’était possible, pour éviter des températures (> 2000 °C du fait de la forte exothermicité de l’oxydation du chrome) mettant en péril les garnissages réfractaires du four, qu’à condition de ne mettre en charge qu’une partie du chrome de la nuance. L’apport complémentaire de chrome étant effectué, après la décarburation du bain, sous forme de FeCr suraffiné, dont on aura noté (Partie I [1]) la gamme complexe de production avec le procédé Perrin-Greffe. La prise en considération, de manière quantifiée, des équilibres C-Cr-O et du rôle joué par la pression partielle de CO a conduit aux procédés modernes d’affinage en aval du four à arc : affinage sous-vide (VOD) et affinage avec gaz neutre diluant (AOD). Ce dernier procédé est devenu largement prépondérant dans les aciéries dédiées aux aciers inoxydables.

Par ailleurs, des exigences qualitatives croissantes en matière de propreté inclusionnaire ont conduit à des procédures rigoureuses d’affinage réducteur en poche puis à l’introduction de la refusion ESR.

La tentation de « copier » le schéma de production des aciers au carbone, du haut-fourneau jusqu’au train à bande, fut illustrée par des mises au point de procédés de conversion de fontes au chrome dans des fours ou des convertisseurs, déjà mis en œuvre dans la production d’aciers au carbone, mais spécialement adaptés aux aciers inoxydables. Les essais industriels furent prometteurs, mais la disponibilité croissante en ferrailles et chutes en aciers inoxydables, conséquence directe de la rapide extension du marché des aciers inoxydables, retira beaucoup de sa pertinence à la filière fonte au chrome. Cependant, des usines intégrées à produits plats en aciers au carbone ont développé des méthodes de production d’aciers inoxydables, en greffant sur leur ligne de production traditionnelle (usine à fonte, conversion, coulée continue, train à bandes) des réacteurs permettant d’effectuer des additions de FeCr carburé lors de l’affinage de la fonte de haut-fourneau (convertisseur QBOP) et d’achever l’affinage sous-vide (VOD ou RH/OB) ou à l’AOD, et rejoindre la filière conventionnelle coulée-continue et train à bandes.

2 L’élaboration des aciers inoxydables au four électrique à arc

2.1 L’élaboration conventionnelle « Tout au four à arc », en vigueur jusqu’à la fin des années 1960

Compte tenu des températures exigées par l’élaboration des aciers inoxydables, jamais ces productions n’auraient été possibles (avec des coulées de taille significative) sans l’existence du four électrique à arc de fusion. Jusqu’à la fin des années 1960, toutes les sociétés sidérurgiques d’aciers spéciaux ont produit leurs aciers inoxydables par une élaboration intégralement conduite au four électrique à arc.

Dans ces élaborations, souvent moins des 2/3 du chrome nécessaire à la nuance est mis en charge afin de permettre une décarburation (par injection d’oxygène) sans une oxydation excessive du chrome qui engendrerait une température très élevée au four (au-delà de 1800 °C).

La séquence d’élaboration d’un acier inoxydable au four électrique à arc de fusion était la suivante (Fig. 1) :

  • charge solide contenant pratiquement tout le nickel (éventuellement le Mo) et de 9 à 12 % de chrome ; une partie significative de la charge est faite de ferrailles inoxydables mais en respectant la limitation en chrome que l’on vient d’indiquer ;

  • fusion à l’arc électrique (carburante du fait des électrodes en graphite) ;

  • affinage oxydant à la lance à oxygène, jusqu’au niveau de carbone requis par la nuance ;

  • réduction du laitier formé (riche en oxyde de chrome), par FeSi et SiCr ;

  • apport complémentaire de chrome sous forme de FeCr suraffiné bas carbone solide ;

  • décrassage du laitier d’affinage oxydant ;

  • formation d’un nouveau laitier désoxydant et désulfurant ;

  • ajustement d’analyse ;

  • désoxydation finale ;

  • coulée en lingots.

Une telle élaboration prenait plusieurs heures d’occupation du four électrique de fusion et interdisait toute déphosphoration (la déphosphoration n’étant possible qu’en absence de chrome). La charge de ferrailles non alliées devait donc être à bas phosphore (chutes d’emboutissage de l’industrie automobile).

Les principales sociétés sidérurgiques françaises pratiquant ce type d’élaboration dans des fours électriques à arc furent :

  • CHATILLON-COMMENTRY dans ses usines Saint Jacques à Commentry (Allier) puis à Isbergues (Pas-de-Calais) ;

  • la CAFL (compagnie des aciéries et forges de la Loire) à Firminy (Loire) ;

  • la SMI (société métallurgique d’Imphy) (Nièvre) ;

  • la SFAC (société des forges et aciéries du Creusot) (Saône et Loire), dans son aciérie du Breuil ;

  • AUBERT & DUVAL aux Ancizes (Puy-de-Dôme) ;

  • la société UGINE, leader sur le marché, jouira longtemps, jusqu’à l’apparition de l’AOD, d’un avantage considérable puisque grâce au procédé Perrin-Greffe (Partie I, Sect. 2.2.4 [1]) mis en œuvre en amont de ses deux aciéries électriques de l’Ardoise (Gard) et de Moutiers (Savoie), elle pouvait charger le FeCr suraffiné liquide, directement dans ses fours d’aciérie. La fusion au four à arc pouvant éventuellement se faire en absence totale de chrome (qui serait ajouté liquide plus tard), on conservait la possibilité de déphosphorer la charge issue de ferrailles non alliées.

Cette difficulté à élaborer au four à arc des nuances inoxydables à très basse teneur en carbone (%C < 0,030) a conduit à la création des nuances stabilisées au Ti et au Nb, dans lesquelles on fixait le carbone dissous dans la matrice sous forme de nitrures et carbures de Ti et de Nb (Partie I, Annexe B [1]).

thumbnail Fig. 1

Schéma, dans le plan %Cr-%C, de l’élaboration « tout au four électrique » des aciers inoxydables [2]. La décarburation est conduite sur une charge à 12 % de Cr et la température atteinte dépasse 1900 °C en fin de décarburation.

Diagram presenting refining stainless steel melt in electric arc furnace (E.A.F.) in the %C, %Cr coordinates.

2.2 Les procédés permettant l’affinage oxydant avec tout le chrome en charge (apparus à la fin des années 1960)

2.2.1 Les équilibres Cr-C-O dans le fer liquide

En 1949, les travaux de Hilty aux USA [3] ont précisé les équilibres thermodynamiques Cr-C-O dans le fer liquide et ouvert la voie aux réflexions qui allaient permettre d’envisager, pour l’élaboration des aciers inoxydables, de nouveaux procédés plus efficaces (au sens où ils permettaient de décarburer des bains riches en chrome sans trop oxyder cet élément) (Fig. 2). Ce n’est guère avant le milieu des années soixante que ces travaux trouveront un large écho pratique dans l’industrie sidérurgique européenne et déboucheront sur des moyens industriels permettant d’agir sur la pression partielle de CO qui pilote le déroulement de la décarburation des bains riches en chrome : procédés d’élaboration sous vide et réacteurs AOD.

thumbnail Fig. 2

Les équilibres de Hilty (Cr, C, O dans le fer liquide) en fonction de la température et de la pression partielle de CO [3]. Pour une pression partielle de CO fixée, la courbe de Hilty sépare, dans le plan %C-t°c, deux régions l’une (l’inférieure) où l’oxydation du Cr l’emporte, l’autre (la supérieure) où l’oxydation du C est prépondérante. On observe que l’élévation de température et l’abaissement de la pression partielle de CO favorisent l’oxydation du C.

Hilty’s equilibrium in the Cr-C-O system, depending on temperature and partial pressure of CO.

2.2.2 Les élaborations sous vide

UGINE fut en France la première société à expérimenter au stade industriel, à la fin des années 1960, en son usine de Moutiers (Savoie), la décarburation sous vide des bains riches en chrome. Le procédé consistait à décarburer au four électrique de fusion jusques vers %C = 0,100, un bain contenant tout le chrome de la nuance élaborée et à utiliser l’oxygène dissous dans le bain liquide, pour poursuivre la décarburation en poche sous vide (passage de la nuance 301 à la nuance 304L). Les volumes de gaz à extraire étant faibles, le générateur de vide pouvait être à capacité de pompage limitée (pompage mécanique).

Un peu plus tard, WITTEN en Allemagne, CREUSOT-LOIRE (Firminy et Imphy) mettaient au point l’injection d’oxygène en poche sous vide (VOD) (Fig. 3) qui permettait de décarburer sous vide depuis un niveau de carbone bien plus élevé, et donc de ne conserver au four à arc que ses fonctions de fusion, de désiliciation, et de décarburation dans la zone des très hauts carbone (si la charge contenait des produits très carburés du genre « charges au Cr »). L’opération d’affinage oxydant en poche sous vide était suivie d’une opération réductrice (désoxydation et désulfuration) conduite également sous vide. Le brassage métal/laitier intense dû à l’exposition au vide permettra désormais d’atteindre facilement les très basses teneurs en S. Le procédé exigeait des capacités de pompage accrues qui seront assurées par des batteries d’éjecteurs à vapeur.

La figure 4 illustre la conduite du procédé VOD. Sur le diagramme A, figure l’évolution de la composition des gaz émis (CO, CO2, O2) en sortie de la cuve sous-vide pendant l’opération de décarburation. La fin de la décarburation est marquée par la chute de la teneur en CO et la remontée des teneurs en CO2 et en O2. Toute poursuite de l’injection d’oxygène au-delà de ce pic d’oxygène et de CO2 se traduira par une oxydation supplémentaire du chrome. Sur le diagramme B figure l’évolution des paramètres de process : pression dans la cuve, débit d’oxygène à la lance, évolution de la teneur en carbone du bain.

thumbnail Fig. 3

Schéma du procédé VOD (Vacuum, Oxygen, Decarburization) [2].

VOD process.

thumbnail Fig. 4

Conduite de l’affinage au réacteur VOD [4]. A. Évolution de l’analyse des gaz extraits au cours de l’affinage sous vide. B. Évolution du carbone du bain et des paramètres de process (pression, débit d’oxygène).

Process parameters in VOD.

2.2.3 Le réacteur d’affinage AOD (Argon Oxygen Decarburization)

2.2.3.1 Procédé

Il fut mis au point en 1954 (donc 6 ans après les travaux de Hilty) par la société Linde Air Products, qui était alors une division de la société américaine UNION CARBIDE et qui est devenue PRAXAIR après sa scission en 1992. Sa très large industrialisation ne commencera qu’à la fin des années 1960. Il consiste à jouer sur les équilibres de Hilty en abaissant la pression partielle de CO, par ajout d’un gaz diluant (Ar) à l’oxygène injecté. Dans une cornue munie de tuyères de soufflage par le fond, on injecte des mélanges gazeux O2/Ar, progressivement enrichis en Ar à mesure que la décarburation du bain progresse. Dans la phase gazeuse transitant dans le bain, la présence d’argon abaisse la pression partielle de CO et déplace donc l’équilibre C-O-Cr en faveur de l’oxydation du carbone et de la moindre oxydation du chrome (Fig. 5).

L’analyse du processus de décarburation peut être faite en termes de cinétique, la vitesse de décarburation étant proportionnelle à l’écart entre la teneur instantanée du carbone dans la charge d’acier liquide et la teneur déduite des équilibres de Hilty, compte tenu de la pression partielle de CO et de la température régnant au sein du bain : où %Ceq dépend de la température et de la pression partielle de CO (équilibre de Hilty).

Tout apport d’oxygène en excès par rapport à cette règle cinétique oxydera du chrome. Le rôle de l’enrichissement progressif en argon diluant est donc double : il abaisse pco et donc %Ceq, mais il ralentit aussi l’apport d’oxygène, ces deux effets contribuant à protéger le chrome de l’oxydation.

thumbnail Fig. 5

Schéma du convertisseur AOD (Argon, Oxygen, Decarburization) [2].

AOD process.

2.2.3.2 Déroulement d’un affinage AOD

Un affinage en cornue AOD comprend les opérations suivantes :

  • chargement depuis le four électrique de fusion d’une charge liquide contenant pratiquement tout le chrome de la nuance élaborée ;

  • affinage oxydant avec injection de mélanges gazeux O2/Ar en trois ou quatre séquences successives dont les rapports O2/Ar peuvent être, à titre d’exemple, les suivantes : 3/1 ; 1/1 ; 1/3 (Fig. 6). Pour les nuances à très bas carbone, le soufflage oxydant peut s’achever avec des mélanges 1/9 (donc très pauvres en oxygène pour satisfaire aux impératifs cinétiques précédemment évoqués) ;

    thumbnail Fig. 6

    Evolution des teneurs en Cr et C lors d’un affinage AOD [2]. La teneur en Cr évolue entre 19 % et 16 % Cr (donc avec une oxydation limitée du Cr) ; la température ne dépasse pas 1750 °C.

    Cr and C contents evolution during AOD refining.

  • pendant l’opération d’affinage oxydant, du chrome a été oxydé, il convient de le récupérer par une opération réductrice (addition d’un mélange de chaux et de FeSi). Il y aura formation d’un laitier dont la basicité sera réglée pour permettre aussi la désulfuration du bain. On procède en final au réglage analytique. Pendant toute cette opération réductrice, on assure un brassage en cornue par injection d’argon seul aux tuyères ;

  • le contrôle de la température du bain pendant l’affinage AOD est un paramètre clef de la conduite de cette opération. Une augmentation de la température du bain déplace l’équilibre du côté de l’oxydation du carbone plutôt que de celle du Cr, mais la limite de l’exercice est la tenue du garnissage réfractaire du convertisseur dans le temps. D’une façon générale, une température d’environ 1700 °C représente un bon compromis entre l’usure des réfractaires et le coût du FeSi et de la chaux pour récupérer le chrome oxydé ;

  • Cet affinage secondaire (hors du four de fusion), contrairement à ce qui se passe lors de la métallurgie secondaire en poche des aciers faiblement alliés, fait se succéder dans le même réacteur (AOD) une phase oxydante et une phase réductrice. L’hérédité de la phase oxydante, manifestée par le laitier et le garnissage réfractaire, peut être suffisante pour pénaliser la qualité inclusionnaire ou le contrôle précis des désoxydations finales. Pour contourner cette difficulté, il peut être pertinent, après réduction du laitier en cornue AOD, de couler la charge dans une poche destinée à passer par un stand de métallurgie secondaire (four poche) pour achever la phase finale de désoxydation et de contrôle inclusionnaire, avant d’aller à la coulée continue. Cette étape peut aussi permettre l’ajout de certains éléments très oxydables comme le Ti (dans les nuances stabilisées) par exemple. Elle assure le respect d’une étroite plage de température pour l’entrée à la coulée continue.

2.2.3.3 Développement de l’AOD

Le procédé AOD a connu un formidable développement au point d’avoir largement supplanté tous les procédés concurrents. Ce succès tient aux caractéristiques suivantes :

  • sa simplicité d’installation (une cornue, une disponibilité en Ar et O2) et de pilotage ;

  • son caractère de métallurgie secondaire : on décharge le four de fusion d’une bonne part de ses fonctions d’affinage, ce qui permet au four d’accroître fortement sa productivité ;

  • son aptitude au pilotage précis de l’opération d’affinage oxydant ;

  • sa souplesse d’exploitation.

Son concurrent le plus direct, le procédé VOD, ne subsiste plus guère que dans les aciéries où l’on recherche la production des nuances à ultra bas carbone (Sect. 2.3.1), ou lorsque les aciers inoxydables ne représentent qu’une partie du carnet de fabrication, mais où il est nécessaire de disposer d’un traitement sous vide pour assurer une déshydrogénation sur les aciers faiblement alliés destinés par exemple à la fabrication des produits de forte épaisseur (cas de l’aciérie INDUSTEEL du Breuil au Creusot).

2.2.3.4 Performances

Les performances métallurgiques des deux nouveaux procédés (AOD et VOD) concernaient les points majeurs de l’élaboration :

  • la décarburation jusqu’aux très basses teneurs en C ;

  • la désulfuration jusqu’à de très basses teneurs en S (la dizaine de ppm) ;

  • le contrôle de la teneur en azote aussi bien dans le sens dénitruration que renitruration (en substituant à l’AOD une partie de l’argon par de l’azote) ;

  • le pilotage fin de la désoxydation avec addition d’éléments contrôlant les précipitations inter-granulaires fragilisantes (additions de Mg, Ca, B…) ;

  • le contrôle inclusionnaire.

Ces procédés ont donc largement contribué au développement de nuances inoxydables aux performances améliorées aussi bien en corrosion qu’en propriétés mécaniques.

La filière de production d’UGITECH (Fig. 7) : deux fours électriques à arc (19 MVA, 45 t), cornue AOD (45 t), métallurgie-secondaire en four-poche, coulée continue, de capacité totale 220 kt/an, est caractéristique d’une aciérie pour produits longs en aciers inoxydables. Les temps opératoires sont de l’ordre de 2 h aux fours électriques (fusion) et 1 h à l’AOD (affinage).

L’équipement de l’aciérie de Chatelet (près de Charleroi en Belgique) de la société APERAM (ex ARCELOR) est caractéristique d’une aciérie à produits plats inoxydables avec four électrique de fusion de grande capacité (160 t) (Fig. 8), convertisseur AOD (Fig. 9), stands de métallurgie secondaire, et coulée continue de brames (Partie III, Sect. 2, Tab. 1 [19]).

thumbnail Fig. 7

Schéma de production de l’aciérie électrique d’UGITECH [5]. Four électrique de fusion (40 t, 40 MVA), convertisseur AOD, métallurgie secondaire, coulée continue, refusion ESR.

Organization of UGITECH steelmaking plant.

thumbnail Fig. 8

Le four électrique de fusion de l’aciérie du Chatelet de la société APERAM [6]. Le four est en cours de chargement : le panier contenant les ferrailles qui vont être fondues est en premier plan, les électrodes sur le four sont en position haute.

APERAM/Châtelet: EAF.

thumbnail Fig. 9

Chargement du convertisseur AOD à l’aciérie du Chatelet de la société APERAM [6]. La poche contenant l’acier liquide provenant du four électrique de fusion est versée dans la cornue AOD.

Charging AOD converter in APERAM/Châtelet plant.

2.3 Quelques procédés ou pratiques d’élaboration répondant à des exigences particulières quant aux propriétés des aciers inoxydables

Nous proposons dans cette section d’illustrer la recherche de propriétés améliorées, pour le métal coulé, par le perfectionnement des procédés d’élaboration décrits précédemment (AOD et VOD) ou par des pratiques d’élaboration additionnelles.

2.3.1 La production de nuances à teneurs ultra-basses en carbone et azote

L’obtention des très basses teneurs en carbone et azote (quelques dizaines de ppm), notamment pour les nuances dites super-ferritiques (18 à 30 % Cr), permet d’abaisser très significativement la température de transition ductile-fragile (résilience) et d’améliorer aussi la résistance à la corrosion inter-granulaire (en effet, la solubilité du carbone dans la ferrite étant très faible, celui-ci a tendance à se concentrer aux joints de grains). Cependant, cette démarche se heurtait, même avec les nouveaux moyens conventionnels d’élaboration (réacteurs AOD et VOD) à deux difficultés :

  • un problème de cinétique : à d’aussi faibles teneurs en carbone et azote, il fallait aller chercher ces éléments résiduels au sein du bain ! ;

  • un problème de pollution du bain liquide par le carbone résiduel des briques du garnissage réfractaire des réacteurs, par celui contenu dans les laitiers d’affinage et par l’hérédité des coulées précédentes élaborées dans le réacteur.

Aussi les métallurgistes, qui ont mis en évidence l’intérêt des ultra-basses teneurs en carbone et azote, ont-ils d’abord élaboré ces nuances dans des fours sous ultra-vide, à bombardement électronique, où le métal fondu ruisselait en faible épaisseur sur une sole en cuivre refroidie. C’était là un procédé de fabrication difficilement industrialisable à un coût acceptable. L’industrialisation de ces nuances est passée par une élaboration VOD particulièrement soignée avec des temps opératoires sous vide dépassant 100 min, un brassage intense permettant de surmonter les difficultés cinétiques mentionnées précédemment et en trichant éventuellement quelque peu avec les teneurs résiduelles en interstitiels par une légère stabilisation au Ti ou Nb (Part I, Annexe B). Ces nuances ont été cependant produites dans des filières de fabrication de grande masse, en usine intégrée, notamment chez Kawasaki (Sect. 3.3).

2.3.2 Maîtrise de la propreté inclusionnaire des aciers inoxydables

À l’issue de la description des procédés d’affinage AOD et VOD, il convient de traiter de la propreté inclusionnaire des aciers inoxydables, puisque ces procédés ont permis de l’améliorer très significativement. Les exigences croissantes en matière de propreté inclusionnaire peuvent résulter soit de la recherche d’améliorations de propriétés spécifiques aux aciers inoxydables (polissabilité, tenue à la corrosion), soit d’améliorations de propriétés communes à tous les aciers à hautes caractéristiques mécaniques (résilience, tenue en fatigue). Ces exigences qualitatives croissantes en matière de contenu inclusionnaire ont fini par dépasser les performances des procédés conventionnels d’élaboration (AOD, VOD) et ont conduit à développer en aval de la coulée, pour les applications les plus exigeantes, des procédés de refusion.

2.3.2.1 Considérations générales sur la propreté inclusionnaire des aciers inoxydables

Pour une bonne compréhension des efforts engagés par les aciéristes pour améliorer la propreté du métal coulé, trois sortes de considérations doivent être précisées :

  • tout le soufre et l’oxygène présents (teneurs pondérales) dans le métal liquide au moment de la coulée se retrouveront pour l’essentiel sous forme inclusionnaire (sulfures et oxydes), dans le métal solide. C’est la raison qui explique que les élaborations AOD et VOD, en permettant des désulfurations très complètes et des désoxydations très précises ont conduit à des améliorations très sensibles de la propreté ;

  • les aciers inoxydables sont plus difficiles à bien désoxyder que les aciers au carbone. La présence de chrome en solution déprime fortement l’activité de l’oxygène (aO) en solution dans le bain liquide (le rapport aO/% O, dépendant de la nuance élaborée, est d’environ 0,5 sur un 18/8) ; en conséquence, pour une même désoxydation, conduisant à une même activité en oxygène dissous dans le bain métallique liquide, le contenu inclusionnaire d’oxydes précipitant à la solidification sera en gros deux fois plus élevé dans un acier inoxydable que dans un acier au carbone. Il en a résulté que pendant longtemps la propreté des aciers inoxydables n’a pas été excellente ;

  • le contenu inclusionnaire, par son volume, sa distribution en tailles et sa nature minéralogique, joue un rôle déterminant dans les propriétés d’emploi du matériau : notamment sur son aptitude au polissage (ce qui est capital pour tous les produits destinés à la platerie ou à la décoration : nocivité des inclusions dures type Al2O3) et sur sa tenue à la corrosion (les inclusions de sulfures de manganèse (MnS) sont par exemple des lieux préférentiels de la corrosion par piqûre), et sur la tenue en fatigue (par la taille des inclusions).

Pour plus de précisions quant au retentissement de la propreté inclusionnaire sur les propriétés en service du matériau acier, voir [7].

2.3.2.2 La nature minéralogique des populations inclusionnaires des aciers inoxydables

Les populations inclusionnaires des aciers inoxydables sont principalement de deux sortes : les sulfures [MnS et (Mn,Cr) S] dont la quantité dans le produit final est directement en rapport avec le niveau de soufre présent dans le métal liquide au moment de la coulée ; les oxydes dont la nature et la quantité dépendent en première approximation des pratiques de désoxydation et de décantation en fin d’élaboration. Les compositions des oxydes vont des galaxites au chrome (Cr2O3, MnO) et des silicates pour des coulées peu désoxydées (sans addition d’Al) ou ayant subi une forte réoxydation parasite, aux alumines (Al2O3) et spinelles (Al2O3, MgO). La magnésie provient soit de l’interaction avec les réfractaires magnésiens des réacteurs, soit d’additions volontaires de Mg sous forme Ni-Mg, pour des coulées plus énergiquement désoxydées. Des traitements spécifiques juste avant coulée (SiCa, terres rares…) permettent de modifier ultimement ces natures inclusionnaires et d’obtenir des nuances à contenu inclusionnaire contrôlé. On notera la présence de nitrures de titane ou niobium dans les nuances stabilisées.

2.3.2.3 L’amélioration de la propreté inclusionnaire par les procédés AOD et VOD

La généralisation des procédés AOD et VOD a eu pour résultat une bien plus grande maîtrise dans la conduite de l’affinage en phase oxydante et en conséquence la possibilité d’ajuster avec précision les phases réductrices en aval (réduction du laitier d’affinage et désoxydation finale). Ces progrès dans les pratiques d’élaboration ont permis simultanément d’obtenir de très basses teneurs en soufre (la dizaine de ppm), une mise sous contrôle du niveau de propreté des aciers inoxydables et de conformer la nature de ces populations inclusionnaires résiduelles aux exigences imposées par l’emploi du matériau. Ces procédés ont aussi permis de jouer sur les teneurs en azote et donc aussi sur les populations de nitrures.

Un bon exemple de la retombée des progrès que nous venons de mentionner est fourni par les nuances duplex (austéno-ferritiques) destinées à l’exploitation pétrolière en offshore profond où la tenue à la corrosion dans des conditions très sévères (acidité, pression, température…) a conduit les métallurgistes à s’intéresser à la nature des ultimes précipitations inclusionnaires dans les joints de grain et à chercher à les contrôler par des additions spécifiques lors de la désoxydation [8].

2.3.2.4 Nouvelle étape vers la haute propreté : la refusion ESR

La refusion ESR (Elecro Slag Remelting1) est un procédé qui prend place en aval de la coulée et de la première solidification et permet un double saut qualitatif sur le matériau produit :

  • en effaçant dans le métal refondu une bonne partie des hétérogénéités compositionnelles et structurales issues du phénomène de ségrégation lors de la première solidification ;

  • en agissant sur les populations inclusionnaires : par élimination de la fraction inclusionnaire de plus grande taille qui sera piégée par le laitier de refusion et par modification éventuelle de la nature des inclusions résiduelles, soit par mise en équilibre avec le laitier, soit par apport d’éléments complémentaires modificateurs d’inclusions (calcium, terres rares…).

Le procédé consiste à refondre goutte à goutte une électrode constituée par le métal à affiner, au travers d’une couche de laitier surchauffé, et à resolidifier dans une lingotière le métal, après sa traversée de la couche affinante de laitier. Les laitiers de refusion, maintenus liquides par l’effet joule dû au courant électrique traversant le système (électrode en cours de refusion, laitier, pool de métal liquide, lingot refondu), appartiennent au système ternaire CaF2, Al2O3, CaO. CaF2 permet d’abaisser le point de fusion du laitier très au-dessous de celui de l’acier alors qu’ Al2O3 fixe la résistivité du laitier [9]. Le choix précis de la composition du laitier de refusion dépend de la nature de l’affinage que l’on souhaite réaliser.

Le plus souvent un four ESR refond soit des lingots électrodes coulés au bassin, ou de grosses barres forgées, mais il peut aussi refondre des petits blooms issus de coulée continue comme dans l’équipement opérant chez UGITECH S.A qui, depuis fin 2007, est équipé d’une installation ESRR™ (Electroslag Rapid Remelting) fournie par INTECO GmbH (Fig. 10).

Cette technologie utilise un laitier surchauffé pour refondre des électrodes dans un moule en forme de T équipé dans sa partie supérieure d’un collecteur de courant en graphite. Deux boucles de courant sont utilisées afin d’accélérer la fusion du bloom à refondre sans diminuer la vitesse de solidification du bloom refondu (Fig. 10). Cette fonctionnalité rend le processus ESRR™ particulièrement approprié pour refondre une électrode principale en produits de petite section comme des billettes, avec une productivité élevée. Ces produits refondus ouvrent des marchés comme l’aéronautique, le médical, ou encore le nucléaire pour lesquels les propriétés mécaniques comme la résilience ou la tenue à la fatigue (pilotée en particulier par le contenu inclusionnaire) sont très importantes. L’horlogerie, les moules pour la fabrication de pièces en verrerie destinées à l’optique ou au matériel médical, représentent aussi un marché pour ces nuances à propreté inclusionnaire améliorée car la polissabilité du matériau refondu est très significativement améliorée.

thumbnail Fig. 10

Four de refusion ESR de l’aciérie UGITECH [5].

UGITECH’ ESR furnace.

2.3.3 Production des nuances inoxydables à très hautes teneurs en azote

La recherche de hautes caractéristiques mécaniques pour les aciers inoxydables a conduit à utiliser l’azote comme élément durcissant interstitiel de la matrice (Part I, Annexe B). La présence de chrome et de manganèse accroît la solubilité de l’azote dans le bain d’acier liquide et permet de faire jouer à l’azote le rôle d’un véritable élément d’alliage (Fig. 11). La solubilité peut être augmentée en accroissant la pression partielle d’azote dans les atmosphères au contact de l’acier liquide, c’est ce qui est pratiqué couramment en substituant de l’azote à l’argon dans le procédé AOD pour des nitrurations limitées. Une nitruration bien plus importante peut être obtenue en soumettant le bain liquide à une pression élevée en azote.

La nitruration peut être mise en œuvre de façon bien plus efficace lors d’une Refusion ESR sous pression élevée d’azote (procédé PESR : Pressurized Electro Slag Remelting apparu dans les années 1980) [11,12]. L’apport d’azote est fait par addition contrôlée de ferro-alliages nitrurés ajoutés en continu sous forme de granulés dans le laitier de refusion, l’ensemble étant sous pression. On obtient ainsi des nuances nitrurées jusqu’à 1 % d’azote. Un four de ce type fut mis en service en 1988 chez KRUPP en Allemagne pour la production de lingots allant jusqu’à 20 t et 1 m de diamètre. Le procédé conserve, bien entendu, les avantages de la refusion ESR (Sect. 2.3.2.4) quant à la propreté inclusionnaire et à l’atténuation des ségrégations issues de la première solidification.

thumbnail Fig. 11

Solubilité de l’azote dans un bain d’acier inoxydable en fonction des teneurs en Cr et Mn [10]. Dans un 18/8, la solubilité de l’azote à 1600 °C et sous pression atmosphérique est de 0,225 %. Chaque % d’élément d’alliage supplémentaire augmente ou diminue la solubilité de l’azote suivant les courbes indiquées. Dans les pratiques courantes ce sont les éléments Cr et Mn qui seront utilisées pour renforcer la solubilité de l’azote.

Nitrogen solubility in stainless steel melts.

2.3.4 Métallurgie des poudres

Pour les alliages inoxydables présentant de sérieux problèmes à la mise en forme à chaud (notamment pour les nuances super-austénitiques) (Partie III, 3.2) et d’hétérogénéité à la solidification, on peut avoir recours à la métallurgie des poudres2. Elle comporte les étapes suivantes :

  • fabrication d’une poudre préalliée par atomisation (dans une tour d’atomisation à l’argon) d’un bain liquide pouvant être produit par un des procédés d’affinage décrits précédemment, ou par fusion inductive ;

  • encapsulage de la poudre sous gaz neutre ;

  • forgeage isostatique à chaud d’une ébauche ;

  • mise en forme finale par extrusion, usinage…

Le procédé présente un double avantage métallurgique :

  • il supprime radicalement les problèmes nés de la ségrégation à la solidification (puisque celle-ci ne peut se manifester à l’échelle du grain de poudre très rapidement solidifié) ;

  • il contourne les problèmes qui n’auraient pas manqué d’apparaître lors de la première transformation à chaud d’une filière de fabrication conventionnelle (ébauchage par laminage ou forgeage de lingots ou de blooms issus de coulée continue, entraînant le risque de précipitations de phases intermétalliques fragilisantes dans les zones ségrégées) puisque la compression isostatique à chaud délivre déjà une ébauche débarrassée de toute trace de ségrégations.

La société AUBERT & DUVAL met en œuvre cette technique notamment sur les nuances super-austénitiques du type : 24 %Cr, 22 %Ni, 6 %Mo, 3 %Mn, 2 %W [13].

La métallurgie des poudres préalliées a longtemps délivré un matériau, dont les porosités et la teneur en oxygène étaient substantiellement plus élevées que sur des matériaux obtenus par élaboration et mise en forme conventionnelles. Des progrès significatifs ont été réalisés, mais les populations inclusionnaires sont suffisamment spécifiques (nature, répartition en taille, morphologie, distribution dans la matrice métallique), par comparaison avec celles observées sur matériaux conventionnels, pour que leur retentissement sur les propriétés mécaniques (fatigue notamment) soit assez différent ; c’est dire que les critères qualitatifs utilisés classiquement à propos des matériaux conventionnels nécessitent une adaptation au cas des pièces issues de la métallurgie des poudres.

Ces poudres préalliées sont aussi la matière première des fabrications additives (voir colloque « Durabilité des matériaux métalliques issus des procédés de fabrication additive », Strasbourg 20 nov 2018) [14].

3 La tentation de la fonte au chrome

Les filières de production des aciers inoxydables en produits plats minces avaient tendance à se rapprocher de celles des aciers plats bas carbone, dans la mesure où elles partageaient déjà les outils de la mise en forme à chaud : slabbing tant que les aciéries restaient en voie lingots et train continu à bandes (TAB). La tentation était grande de rechercher une filière de production des aciers inoxydables calquée sur celle de l’usine intégrée. Cette recherche se fera suivant deux directions :

  • la première avec la production d’une fonte au chrome et son affinage en convertisseur qui finalement ne débouchera pas vraiment industriellement de manière extensive, du fait de la concurrence de l’AOD ;

  • la seconde qui visera à greffer en aval de l’affinage classique d’une fonte non alliée, une alimentation en chrome et un affinage spécifique inox (AOD, VOD, RHOB). Cette filière débouchera industriellement (Japon, Brésil…) en permettant à des usines intégrées à produits plats minces non alliés de produire des produits plats minces inoxydables.

Avant de décrire ces deux types de filières, il convient de revenir sur divers procédés d’affinage à l’oxygène des fontes non alliées, qui tentèrent de concurrencer le procédé LD (convertisseur à soufflage d’oxygène par lance par le haut).

3.1 Le procédé Kaldo appliqué aux aciers inoxydables

3.1.1 Principe du procédé Kaldo

Dans les années 1950 et 1960 se manifesta chez les nations sidérurgiques, un incroyable foisonnement de développements innovants (prolongeant les efforts d’après-guerre de reconstruction des sidérurgies) en matière de procédés d’élaboration (l’essor de l’affinage à l’oxygène, celui de la coulée continue, celui du four électrique à arc, celui de la métallurgie secondaire en poche, celui de la réduction directe des minerais visant à contourner le haut-fourneau…). La Suède fut particulièrement active en ces domaines, puisque tout professeur de métallurgie à l’université se devait, pour asseoir sa réputation, d’être l’inventeur d’au moins un nouveau procédé sidérurgique. Le procédé d’affinage (à l’oxygène) Kaldo des fontes de fourneaux fut le produit de cette fièvre innovante en Suède.

Il s’agissait d’une cornue tournante autour d’un axe incliné sur l’horizontale, avec insufflation d’oxygène par lance (Fig. 12). Les caractéristiques de cet affinage étaient les suivantes :

  • contrairement au procédé LD le soufflage à l’oxygène y était doux, ce qui avait pour effet d’oxyder en CO2, dans l’atmosphère de la cornue, le CO issu de la décarburation, avec libération d’une grande quantité d’énergie, ce qui autorisait l’addition d’une plus grande quantité de ferrailles à refondre (les additions refroidissantes) ;

  • cette post-combustion du CO sollicitait fortement le garnissage réfractaire, mais c’était la charge liquide qui grâce à la rotation de la cornue était censée refroidir la paroi réfractaire ;

  • la vitesse d’apport de l’oxygène pilotait le déséquilibre en niveau d’oxydation entre la charge liquide et l’atmosphère de la cornue ;

  • de hautes températures étaient réalisables en augmentant le taux de post-combustion du CO en CO2 dans l’atmosphère de la cornue.

L’ensemble de ces caractéristiques rapprochait qualitativement ce procédé du four Martin, par le rôle qu’y jouait l’atmosphère à l’intérieur du réacteur, mais avec des cinétiques considérablement augmentées par la mise en rotation de la cornue. On pouvait donc en attendre les mêmes qualités que l’acier Martin (qui tenait encore, à l’époque de l’apparition du Kaldo, le haut du pavé en matière qualitative), mais avec une productivité considérablement accrue dans le cas du Kaldo.

Le procédé fonctionna bien sûr en Suède mais aussi en Lorraine chez SOLLAC avec des résultats qualitatifs très satisfaisants, mais se heurta à un problème sévère de tenue du garnissage réfractaire lourdement sollicité par les températures atteintes, par l’abrasion par les charges en rotation, par les alternances au contact des briques, du fait de la rotation, de conditions oxydantes et réductrices, par les contraintes mécaniques alternées. Le réacteur de SOLLAC fut arrêté, au bénéfice du convertisseur LD, principalement en raison de sa disponibilité insuffisante du fait des trop nombreux arrêts pour reprise des garnissages réfractaires.

thumbnail Fig. 12

Schéma du convertisseur Kaldo [2]. Le convertisseur tourne autour d’un axe incliné sur l’horizontale et l’apport d’oxygène se fait par lance en soufflage par le haut.

Kaldo converter.

3.1.2 Application aux aciers inoxydables

Ce procédé Kaldo avait a priori beaucoup d’arguments pour séduire un producteur d’aciers inoxydables :

  • par sa capacité à consommer des ferrailles (chutes inox dans le cas qui nous occupe) ;

  • par les hautes températures permises, ce qui limiterait l’oxydation du chrome ;

  • il suffirait de terminer l’affinage oxydant en raccordant la cornue à un générateur de vide, pour achever la décarburation jusqu’aux très basses teneurs en carbone requises par les aciers inoxydables.

À la fin des années 1960, UGINE conçut un tel réacteur (procédé Kaldo-Vac) et en équipa, au début des années 1970, son aciérie électrique de l’Ardoise par un réacteur de 70 t de capacité (Fig. 13).

Il est pertinent de rappeler ici brièvement le stade de développement du complexe de production sidérurgique de l’usine de l’Ardoise (Gard), atteint au moment de la mise en œuvre du procédé Kaldo-Vac, et qui en faisait l’amont d’une véritable usine sidérurgique intégrée dédiée aux aciers inoxydables en produits plats :

  • par ses moyens d’agglomération des minerais de chrome (fours rotatifs type cimenterie) ;

  • par ses moyens de réduction des minerais de chrome (deux unités de réduction par silico-thermie pour la mise en œuvre du procédé Perrin-Greffe pour la production des FeCr suraffinés, soit quatre smelting-furnaces ; auxquelles viennent s’ajouter deux smelting furnaces pour la production des FeCr carburés ou des fontes au chrome (6 %C). On notera que les moyens électro-thermiques de réduction des minerais de chrome devaient alimenter non seulement la production sur site des aciers inoxydables mais encore fournir des tonnages de FeCr pour leur mise sur le marché des ferro-alliages ;

  • par ses moyens de fusion de ferrailles (fours électriques à arc de 70 t et 50 t) ;

  • par ses moyens d’affinage (le réacteur Kaldo-Vac) ;

  • par son bassin de coulée des lingots sous-laitier (Partie III, Sect. 2.1). Ces lingots méplats (destinés aux produits plats) seront expédiés chauds (par wagons calorifugés) à Fos-sur-Mer pour y subir un double laminage (slabbing et TAB).

Cette filière peut être considérée comme un ultime achèvement technique, avant les révolutions apportées par la coulée continue et l’affinage AOD, au point que lorsque la société UGINE décidera à la fin des années 1960 de construire à Fos-sur-Mer sa nouvelle aciérie électrique (démarrage en 1973), dédiée principalement aux aciers à roulements, elle avait aussi dans ses cartons le projet d’une seconde usine, voisine de la précédente, dédiée aux aciers inoxydables dans laquelle la phase liquide aurait été centrée sur les procédés que nous venons de décrire. La crise financière qui affecta la société UGINE, après la construction de Fos, aboutira à la fusion avec Pechiney (création de PUK) et maintiendra dans les cartons le projet d’une seconde aciérie électrique dédiée aux aciers inoxydables à Fos-sur-Mer.

La suprématie incontestable de l’AOD conduisit l’usine de L’Ardoise à s’en équiper (1982) et à renoncer au réacteur type Kaldo-Vac. Entre-temps, l’usine d’Isbergues (société CCB) s’était équipée d’un convertisseur AOD en 1975. En 1975, Ugine-Savoie s’équipera d’un AOD pour la production des aciers inoxydables en produits longs.

thumbnail Fig. 13

Schéma du procédé Kaldo-Vac [2]. À la fin du soufflage à l’oxygène la cornue est raccordée à un générateur de vide pour achever la décarburation par l’oxygène contenu dans le bain.

Kaldo-Vac converter.

3.2 Les convertisseurs à soufflages d’oxygène par le fond/le procédé CLU

3.2.1 Principes

Les convertisseurs pour affiner la fonte de hauts-fourneaux ont d’abord été à soufflage d’air par le fond de la cornue (Bessemer, Thomas). Le passage de l’air à l’oxygène pur comme fluide d’affinage interdisait de recourir au soufflage par le fond, en raison de la destruction des tuyères et des briques les entourant, par l’effet thermique dû à la température du dard d’oxygène, effet résultant de la combustion du Fe liquide en FeO et de la corrosion des briques par FeO. Cette impossibilité conduira au procédé LD d’injection d’oxygène par lance, par le haut, qui finira par s’imposer dans toutes les aciéries de conversion.

Quelques irréductibles (sans doute autant motivés par la possibilité de ne pas reconstruire totalement une aciérie de conversion existante que par le désir de challenger les inventeurs du procédé LD et celui de relever un défi technique redoutable) imaginèrent de souffler de l’oxygène pur par le fond des cornues, mais en protégeant tuyères et garnissage réfractaire de ce fond par l’injection, périphérique au jet d’oxygène, d’un hydrocarbure (fuel-oil dans le procédé LWS, hydrocarbures gazeux dans le procédé OBM autrement nommé QBOP : Quiet Bottom Oxygen Process). Les tuyères d’injection d’oxygène par le fond étaient donc doubles avec un espace central dédié à l’oxygène et un mince espace annulaire dédié à l’hydrocarbure de protection.

La protection, par les hydrocarbures injectés, des tuyères métalliques et du fond réfractaire les entourant résultait de la conjugaison des phénomènes suivants :

  • refroidissement des tuyères proprement dite par le fluide périphérique ;

  • écrantage du rayonnement du dard (combustion du Fe) par le rideau d’hydrocarbures périphérique ;

  • effet refroidissant dû au cracking de l’hydrocarbure ;

  • réduction locale du FeO, corrosif pour les briques réfractaires, par les hydrocarbures.

Ces procédés ont parfaitement fonctionné de longues années en Lorraine, en Allemagne (Max Hütte) et en quelques autres lieux, quelquefois en association avec le soufflage d’oxygène par le haut (soufflage mixte).

3.2.2 Application à l’élaboration des aciers inoxydables

Ces procédés de soufflage par le fond retinrent l’attention de deux producteurs d’aciers inoxydables : le suédois UDDEHOLM et la société CREUSOT-LOIRE, comme procédés potentiellement concurrents de l’AOD. Le nouveau procédé CLU (Creusot-Loire Uddeholm) (Fig. 14) consistait à injecter par des tuyères multiples de la vapeur d’eau en espace annulaire et de l’oxygène pur en espace central [15,16]. La vapeur au contact de l’acier liquide craquait et fournissait H2 comme gaz diluant du CO (H2 jouait le même rôle que l’argon dans l’AOD). On augmentait progressivement la proportion de vapeur injectée à mesure que la décarburation du bain progressait afin de limiter l’oxydation du chrome. La vapeur jouait au niveau des tuyères un rôle de protection analogue à celui les hydrocarbures dans les procédés OBM ou LWS.

CREUSOT-LOIRE poussa le procédé un peu plus loin, en le rendant capable d’affiner des bains très riches en carbone, voire des fontes au chrome, par l’incorporation d’une phase d’affinage à l’oxygène pur. Les tuyères devenaient triples avec un étroit espace annulaire extérieur dédié au fuel-oil, l’espace annulaire intermédiaire dédié à la vapeur ou à l’oxygène pur, l’espace central dédié à l’oxygène pur.

Le procédé a fonctionné de nombreuses années, dans sa version excluant la phase d’affinage haut carbone (et donc sans injection d’hydrocarbures) dans l’usine de Degersfors en Suède de la société UDDEHOLM et bien plus brièvement à l’aciérie AUMD de Decazeville dans sa version avec phase d’affinage à l’oxygène pur du bain à haut carbone, avec une des cornues LD rééquipée pour le soufflage par le fond. Dans ce procédé, l’apport de chrome se faisait sous forme FeCr carburé solide pendant la phase d’affinage à l’oxygène pur de la fonte de fourneau ; cette séquence d’élaboration se retrouvera chez Kawasaki/Chiba (Sect. 3.3).Le procédé CLU équipera en 1995 la nouvelle aciérie de COLUMBUS à Middleburgh en Afrique du Sud (2 convertisseurs de 100 t).

Le procédé CLU a fini par s’effacer devant l’hégémonie de l’AOD, mais il aura conduit, au moins transitoirement, les producteurs d’argon à abaisser sensiblement le prix de leur fourniture. Sous la dénomination CLS, dans sa version avec injection protectrice de fuel-oil, il a été utilisé par la société minière sud-africaine Samancor pour affiner du FeMn carburé, dans son usine de Roane (USA/Tenessee).

thumbnail Fig. 14

Le procédé CLU [15]. Le procédé est à soufflage par le fond avec des tuyères multiples. Les fluides d’affinage sont l’oxygène et la vapeur. A : schéma de la cornue : 1 : ceinture ; 2 : tourillon creux ; 3 : palier ; 4 & 8 : alimentation en fluides d’affinage (vapeur et oxygène) ; 5 : alimentation en fluide de protection (fuel-oil) ; 6 & 7 : répartiteur vers les tuyères. B : équipement du fond amovible pour alimentation en fluides d’affinage.

CLU converter.

4 La production d’aciers inoxydables dans une usine intégrée à produits plats minces non alliés

La tentation était grande, pour des complexes sidérurgiques intégrés, devant la demande croissante en produits plats inoxydables, de livrer aussi des produits plats minces en aciers inoxydables, puisqu’ils disposaient du train à bandes (TAB) nécessaire à la production des bobines de tôles (coils). Pour ce faire, il suffisait de greffer à l’aciérie existante, dans la chaîne d’affinage traditionnelle de la fonte de hauts-fourneaux, deux étapes spécifiques :

  • l’une permettant l’addition et la fusion des éléments d’alliages (FeCr carburés, Ni, chutes inox). Ce pouvait être soit un four électrique, soit un convertisseur à soufflage par le fond (QBOP)3 dans lequel l’énergie résultant de la décarburation de la fonte de fourneaux et de celle du FeCr carburé permettait de fondre la charge d’alliages solides ;

  • l’autre permettant l’affinage spécifique, dans le domaine des bas carbones, des bains riches en chrome (traitements sous vide ou AOD).

Les figures 1518 illustrent cette production d’aciers inoxydables à partir de la fonte de hauts-fourneaux par la combinaison de divers procédés. On notera au passage que ces filières comportent toutes en amont une étape de déphosphoration de la fonte (en poche à fonte ou en wagon-poche) puisque l’addition de chrome interdira toute déphosphoration ultérieure.

Les aciéries de conversion à produits plats disposaient en général, pour l’élaboration des nuances non alliées à très bas carbone d’une installation de dégazage sous-vide (par circulation sous vide) RH (Rheinstahl-Heraus) (Fig. 15) qui leur permettait de faire de la désoxydation par le carbone sous vide [7]. Il suffisait d’équiper ce dégazeur d’une injection d’oxygène sous vide pour réaliser la décarburation de bains riches en chrome (Fig. 16). Ce sera le procédé RH/OB. À vrai dire, le procédé RH/OB avait été initialement imaginé, dans la filière des aciers plats non alliés, pour réchauffer le métal en poche par aluminothermie et compenser la chute de température supplémentaire introduite par le dégazage au RH ; son application aux bains riches en chrome était nettement plus pertinente.

La figure 17 illustre un procédé de production d’aciers inoxydables à partir de la fonte de hauts-fourneaux à l’aciérie de Chiba de Kawasaki Steel où la production d’aciers inoxydables a démarré en 1981. Les additions de chrome y sont faites en cornue à soufflage mixte (tuyères et lance : KBOP). Cet apport de chrome peut être fait à partir de minerais et de battitures recyclées provenant du meulage des brames, le carbone de la fonte assurant un milieu réducteur liquide vis-à-vis des oxydes de chrome et l’apport d’oxygène en décarburation assurant l’équilibrage du bilan thermique. Dans cette phase d’affinage/alliage (SR-KCB), on est en présence d’un véritable smelting-process assez proche de celui décrit précédemment à propos du procédé Bouchet. On poursuit l’affinage en cornue (DC-KCB) avec un gaz diluant (Ar, N2), puis on transfère la charge vers un réacteur VOD, pour décarburer au-dessous de 0,1 % de carbone. On notera les capacités des réacteurs (185 t pour le convertisseur KBOP et 178 t pour le VOD) qui sont pratiquement le double de celles existantes de manière usuelle dans les filières électriques, à la même époque, mais qui sont cependant devenues courantes dans les grandes usines à produits plats inoxydables.

D’autres usines intégrées grefferont sur la filière principale d’affinage de la fonte de fourneaux les moyens classiques de l’aciérie produisant des aciers inoxydables : four électrique, convertisseur AOD, affinage VOD. Tel est le cas de l’usine APERAM d’Acesita au Brésil (Fig. 18), qui coule 420 kt/an d’aciers inoxydables. Les deux réacteurs d’affinage oxydant, classiques (AOD et VOD) dans la production des aciers inoxydables, sont bien présents et utilisés selon le niveau de carbone requis par la nuance élaborée (l’essentiel de la production passe cependant par le réacteur AOD). Le convertisseur AOD (capacité 90 t) est équipé (en soufflage par le haut) d’une lance à oxygène, ce qui lui permet d’affiner des charges à haut carbone. La source de fer est la fonte de fourneau ; un four électrique permet de fondre ferrailles d’aciers inoxydables et ferro-alliages. L’affinage réducteur final (désoxydation, désulfuration, contrôle inclusionnaire) peut être conduit soit sous vide dans la cuve du VOD, soit dans le four de réchauffage par arc en poche. L’aciérie d’APERAM/Acesita présente ainsi toute la panoplie des procédés capables d’affiner des charges métalliques destinées à la fabrication d’aciers inoxydables avec la plus large diversification possible quant au choix des matières premières utilisées. La figure 19 présente trois vues de l’usine d’Acesita : le haut fourneau, le four poche (LF) et le parc à bobines en sortie du laminage à chaud.

Ces filières de production à partir de la fonte de hauts-fourneaux attestaient par les tonnages unitaires coulés et avec le passage en coulée continue, que nous traitons dans la Partie III [19], de l’accession des aciers inoxydables au rang d’un matériau de très grande diffusion.

thumbnail Fig. 15

Schéma du procédé RH [7]. Il permet d’exposer la charge liquide au vide par circulation de l’acier liquide dans une enceinte séparée de la poche et d’y réaliser les opérations de désoxydation, décarburation, contrôle de la propreté inclusionnaire en y minimisant les interactions avec le laitier.

RH process.

thumbnail Fig. 16

Schéma du procédé RH/OB [2]. Il se distingue du procédé RH par la possibilité d’injecter de l’oxygène par lance dans l’enceinte sous vide et donc d’y accroître les possibilités de décarburation.

RH/OB process.

thumbnail Fig. 17

Production d’aciers inoxydables dans une aciérie intégrée avec addition du chrome dans un convertisseur à soufflage mixte. (Kawasaki Steel/ Chiba) [17]. Les additions de Cr se font en cornues à soufflage mixte (lance et tuyères), l’affinage final (jusqu’aux basses teneurs en carbone) en réacteur VOD.

Refining stainless steel melts in mixed blowing converter (Kawasaki steel/Chiba).

thumbnail Fig. 18

Production d’acier inoxydable par l’aciérie intégrée d’APERAM d’Acesita (Brésil) [18].

Stainless-steel production by blast furnace route in APERAM/Acesita plant (Brazil).

thumbnail Fig. 19

Trois vues de l’usine APERAM d’Acesita (Brésil) [18]. Le Haut-fourneau, le stand (ladle-furnace) de métallurgie secondaire, le parc à bobines en sortie du laminage à chaud.

Three views of APERAM/Acesita plant.

5 Conclusion

Le four électrique à arc a joué le rôle essentiel dans le développement de la production des aciers inoxydables. Sans le four électrique et l’usage intensif de l’oxygène lors de l’affinage oxydant, il n’y aurait pas eu d’aciers alliés et, en particulier, d’aciers inoxydables. La fabrication des aciers inoxydables, par leur contenu en chrome imposait des processus à des températures pouvant largement dépasser 1800 °C. Ce fut un sommet dans la conquête des hautes températures par la sidérurgie, puisque les élaborations modernes des aciers faiblement alliés n’exigeaient pas qu’on dépasse 1600 °C.

La première période de production des aciers inoxydables, s’étend, à partir des années 1920, sur le second tiers du 20e siècle. Elle correspond aux développements de l’électrométallurgie au four à arc, appliquée aux opérations de réduction des minerais de chrome et à la fusion des charges métalliques. À partir des années 1960, une seconde phase de développement voit l’essor des procédés d’affinage à l’oxygène en aval du four de fusion, spécifiques des bains riches en chrome : AOD et VOD. Après diverses tentatives originales (Kaldo-VAC, CLU), ces procédés se sont généralisés au point que le procédé AOD représente la quasi-totalité de la production mondiale, le procédé VOD étant réservé aux nuances à très bas carbone. La généralisation de ces procédés a eu aussi pour conséquence une bien meilleure maîtrise de la propreté inclusionnaire du matériau ; des performances accrues en tenue en service (corrosion et fatigue) en ont résulté ; elles ont encore été améliorées par la refusion ESR, pour des applications sensibles. La coulée et le laminage à chaud des aciers inoxydables seront aussi l’objet de progrès importants, nous en traiterons en Partie III [19].

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1

Cette technologie de refusion, mise au point à l’institut de soudure E.O. Paton de Kiev à la fin des années 1950, fut implantée, pour la première fois en France par la CAFL à l’usine d’Unieux en 1964. Son développement sera poursuivi, tout particulièrement par la société AUBERT & DUVAL, en parallèle avec celui de la refusion sous-vide (procédé VAR), principalement pour les matériaux destinés à l’aéronautique.

2

Le procédé apparu à la fin des années 1960 aux USA sera développé en France d’abord par IMPHY puis transféré chez AUBERT & DUVAL.

3

Les procédés d’affinage en cornues à soufflage par le fond (LWS/CLU ; OBM/QBOP), ou mixte, se prêtaient bien mieux que les procédés à soufflage par lance par le haut à l’addition de quantités importantes d’alliages solides grâce au caractère beaucoup plus calme de l’affinage. L’absence ou l’effacement de la lance d’injection par le haut pendant la phase d’alliage/affinage rend la formation du laitier beaucoup plus tardive ; ce laitier n’interfère donc pas avec la réduction/fusion des éléments apporteurs de chrome.

Citation de l’article : Jean Saleil, Marc Mantel, Jean Le Coze, La production des aciers inoxydables: Histoire de son développement et des procédés de fabrication. Partie II. Évolutions de l’élaboration des aciers inoxydables au four électrique à arc. La tentation de la fonte au chrome et la production d’aciers inoxydables dans l’usine intégrée, Matériaux & Techniques 108, 104 (2020)

Liste des figures

thumbnail Fig. 1

Schéma, dans le plan %Cr-%C, de l’élaboration « tout au four électrique » des aciers inoxydables [2]. La décarburation est conduite sur une charge à 12 % de Cr et la température atteinte dépasse 1900 °C en fin de décarburation.

Diagram presenting refining stainless steel melt in electric arc furnace (E.A.F.) in the %C, %Cr coordinates.

Dans le texte
thumbnail Fig. 2

Les équilibres de Hilty (Cr, C, O dans le fer liquide) en fonction de la température et de la pression partielle de CO [3]. Pour une pression partielle de CO fixée, la courbe de Hilty sépare, dans le plan %C-t°c, deux régions l’une (l’inférieure) où l’oxydation du Cr l’emporte, l’autre (la supérieure) où l’oxydation du C est prépondérante. On observe que l’élévation de température et l’abaissement de la pression partielle de CO favorisent l’oxydation du C.

Hilty’s equilibrium in the Cr-C-O system, depending on temperature and partial pressure of CO.

Dans le texte
thumbnail Fig. 3

Schéma du procédé VOD (Vacuum, Oxygen, Decarburization) [2].

VOD process.

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thumbnail Fig. 4

Conduite de l’affinage au réacteur VOD [4]. A. Évolution de l’analyse des gaz extraits au cours de l’affinage sous vide. B. Évolution du carbone du bain et des paramètres de process (pression, débit d’oxygène).

Process parameters in VOD.

Dans le texte
thumbnail Fig. 5

Schéma du convertisseur AOD (Argon, Oxygen, Decarburization) [2].

AOD process.

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thumbnail Fig. 6

Evolution des teneurs en Cr et C lors d’un affinage AOD [2]. La teneur en Cr évolue entre 19 % et 16 % Cr (donc avec une oxydation limitée du Cr) ; la température ne dépasse pas 1750 °C.

Cr and C contents evolution during AOD refining.

Dans le texte
thumbnail Fig. 7

Schéma de production de l’aciérie électrique d’UGITECH [5]. Four électrique de fusion (40 t, 40 MVA), convertisseur AOD, métallurgie secondaire, coulée continue, refusion ESR.

Organization of UGITECH steelmaking plant.

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thumbnail Fig. 8

Le four électrique de fusion de l’aciérie du Chatelet de la société APERAM [6]. Le four est en cours de chargement : le panier contenant les ferrailles qui vont être fondues est en premier plan, les électrodes sur le four sont en position haute.

APERAM/Châtelet: EAF.

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thumbnail Fig. 9

Chargement du convertisseur AOD à l’aciérie du Chatelet de la société APERAM [6]. La poche contenant l’acier liquide provenant du four électrique de fusion est versée dans la cornue AOD.

Charging AOD converter in APERAM/Châtelet plant.

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thumbnail Fig. 10

Four de refusion ESR de l’aciérie UGITECH [5].

UGITECH’ ESR furnace.

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thumbnail Fig. 11

Solubilité de l’azote dans un bain d’acier inoxydable en fonction des teneurs en Cr et Mn [10]. Dans un 18/8, la solubilité de l’azote à 1600 °C et sous pression atmosphérique est de 0,225 %. Chaque % d’élément d’alliage supplémentaire augmente ou diminue la solubilité de l’azote suivant les courbes indiquées. Dans les pratiques courantes ce sont les éléments Cr et Mn qui seront utilisées pour renforcer la solubilité de l’azote.

Nitrogen solubility in stainless steel melts.

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thumbnail Fig. 12

Schéma du convertisseur Kaldo [2]. Le convertisseur tourne autour d’un axe incliné sur l’horizontale et l’apport d’oxygène se fait par lance en soufflage par le haut.

Kaldo converter.

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thumbnail Fig. 13

Schéma du procédé Kaldo-Vac [2]. À la fin du soufflage à l’oxygène la cornue est raccordée à un générateur de vide pour achever la décarburation par l’oxygène contenu dans le bain.

Kaldo-Vac converter.

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thumbnail Fig. 14

Le procédé CLU [15]. Le procédé est à soufflage par le fond avec des tuyères multiples. Les fluides d’affinage sont l’oxygène et la vapeur. A : schéma de la cornue : 1 : ceinture ; 2 : tourillon creux ; 3 : palier ; 4 & 8 : alimentation en fluides d’affinage (vapeur et oxygène) ; 5 : alimentation en fluide de protection (fuel-oil) ; 6 & 7 : répartiteur vers les tuyères. B : équipement du fond amovible pour alimentation en fluides d’affinage.

CLU converter.

Dans le texte
thumbnail Fig. 15

Schéma du procédé RH [7]. Il permet d’exposer la charge liquide au vide par circulation de l’acier liquide dans une enceinte séparée de la poche et d’y réaliser les opérations de désoxydation, décarburation, contrôle de la propreté inclusionnaire en y minimisant les interactions avec le laitier.

RH process.

Dans le texte
thumbnail Fig. 16

Schéma du procédé RH/OB [2]. Il se distingue du procédé RH par la possibilité d’injecter de l’oxygène par lance dans l’enceinte sous vide et donc d’y accroître les possibilités de décarburation.

RH/OB process.

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thumbnail Fig. 17

Production d’aciers inoxydables dans une aciérie intégrée avec addition du chrome dans un convertisseur à soufflage mixte. (Kawasaki Steel/ Chiba) [17]. Les additions de Cr se font en cornues à soufflage mixte (lance et tuyères), l’affinage final (jusqu’aux basses teneurs en carbone) en réacteur VOD.

Refining stainless steel melts in mixed blowing converter (Kawasaki steel/Chiba).

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thumbnail Fig. 18

Production d’acier inoxydable par l’aciérie intégrée d’APERAM d’Acesita (Brésil) [18].

Stainless-steel production by blast furnace route in APERAM/Acesita plant (Brazil).

Dans le texte
thumbnail Fig. 19

Trois vues de l’usine APERAM d’Acesita (Brésil) [18]. Le Haut-fourneau, le stand (ladle-furnace) de métallurgie secondaire, le parc à bobines en sortie du laminage à chaud.

Three views of APERAM/Acesita plant.

Dans le texte

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