Bibliographie & annexes
Présentation
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RÉSUMÉ
Ces dernières décennies, les techniques d’affinage des aciers inoxydables ont considérablement évoluées, non seulement sur le plan technique avec une meilleure maîtrise de la composition chimique, et de l’état inclusionnaire, mais également sur le plan économique. L’aspect portant sur les économies de gaz est probablement celui qui connaît encore à ce jour le plus d’adaptations. Après présentation des bases théoriques de la décarburation, désulfuration et désoxydation, l’article s’intéresse à détailler les procédés actuels d’affinage sous pression réduite, puis sous vide, avec leurs descriptions, principes, avantages et limitations.
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Pierre-Jean CUNAT : Ancien directeur technique EURO-INOX
INTRODUCTION
Depuis un demi-siècle, les techniques d'affinage des aciers inoxydables ont considérablement évolué tant sur un plan technique (maîtrise de la composition chimique, maîtrise de l'état inclusionnaire, etc.) que sur un plan économique. Un saut technologique important avait été franchi dès les années 1930 avec le procédé Perrin en matière de décarburation et de désulfuration. Le second saut technologique a été celui des procédés d'affinage sous pression réduite au début des années 1970 (procédé AOD et dérivés). Ils ont permis une excellente maîtrise de la décarburation et de la désulfuration tout en réduisant considérablement le coût de l'opération d'affinage. Avec le procédé VOD et ses dérivés (début des années 1980), l'abaissement de la pression partielle de CO se faisant à l'aide du vide, l'obtention de très basses teneurs en carbone, soufre et azote a ouvert la voie aux nuances ferritiques à haute teneur en chrome (Cr ≈ 30 %) et aux nuances austénoferritiques.
Depuis ces évolutions majeures, on a surtout observé des variantes principalement orientées vers des aspects économiques, en particulier en matière d'économies de gaz et de matières premières (chrome et molybdène). Enfin, la capacité d'affinage d'une aciérie qui était de l'ordre de 500 000 tonnes par an en 1990 a été doublée en dix ans ; ce qui correspond en fait au doublement – sur la même période – de la consommation d'acier inoxydable dans le monde.
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- Version archivée 1 de déc. 2001 par Pierre-Jean CUNAT
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Procédés d'affinage sous pression réduite
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2. Bases théoriques
Dans l'affinage des aciers inoxydables, l'opération principale est la décarburation. Elle consiste à passer d'une teneur en carbone de l'ordre de 1,5 % à une valeur finale d'environ 0,03 %, voire 0,01 %. La décarburation est réalisée par soufflage d'oxygène, mais pour des charges riches en chrome, il est absolument nécessaire de réduire la pression partielle d'oxyde de carbone si l'on veut éviter une oxydation massive du chrome.
Pour réaliser cette opération, les deux procédés les plus utilisés sont le procédé AOD (Argon Oxygen Decarburization) et le procédé VOD (Vacuum Oxygen Decarburization). Le procédé AOD et ses différentes variantes représentent environ 75 % de la capacité mondiale alors que les procédés « sous vide » (VOD et dérivés) représentent le solde, c'est-à-dire 25 %. Dans le procédé AOD, l'oxygène est insufflé avec un gaz neutre de dilution ; ce dernier étant de l'argon qui peut être partiellement remplacé par de l'azote. Par contre, dans le procédé VOD, appelé aussi « affinage sous vide » (ASV), l'opération est effectuée sous pression réduite par création d'un vide.
L'opération d'affinage comporte deux phases distinctes. Il s'agit d'abord d'une phase de décarburation et pour finir d'une phase de réduction. La difficulté majeure, dans le cas des aciers inoxydables, réside dans la nécessité d'obtenir des teneurs élevées en chrome (typiquement 17 % Cr pour les alliages ferritiques et 18 % Cr pour les alliages austénitiques) et des teneurs en carbone très basses (souvent inférieures à 0,03 %). La décarburation est toujours obtenue par oxydation du carbone et ce, le plus souvent, par insufflation d'oxygène.
Or, jusqu'à des températures de 1 600 à 1 700 ˚C, l'enthalpie libre de formation de l'oxyde de chrome Cr2O3 est inférieure à celle du CO2 (figure 3). La conséquence de cette situation est que le chrome est fortement oxydé et qu'il se trouve perdu sous forme d'oxyde dans le laitier avant que le carbone puisse être éliminé. Dans ces conditions, la seule manière d'obtenir la composition chimique souhaitée était d'apporter le chrome, après décarburation, sous la forme de ferrochrome affiné dont le prix est élevé.
Cependant,...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - STEINS (J.), SCHNELL (G.), SCHRADE (C.) - The use of oxygen in stainless steel production - . VAI Technology News, 31, p. 22 à 27 (août 1999).
-
(2) - Melting and Refining Methods, ASM Speciality Handbook - – Stainless Steels, Edited by J.R. Davis, p. 120 à 125 (déc. 1994).
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(3) - DAUM (T.), STEINS (J.), FRITZ (E.), PIRKER (H.), RAMASEDER (N.) - VAINOX, La nouvelle formule du VAI pour l'élaboration des aciers inoxydables : réalisations, perspectives - . La revue de Métallurgie – CIT, no 10 (oct. 1998).
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(4) - CHASSAGNE (J.L.), MALEFANT (J.Y.), SALEIL (J.) - Stainless steel making at Creusot Loire - . Proceedings of « Stainless Steels '77 », p. 89 à 92, Londres (26-27 sept. 1977).
-
(5) - OSTBERG (G.) - Modernizing steel making - a reappraisal of the PERRIN Process - . Part 1 : La Revue de Métallurgie – CIT, no 1, p. 41 à 53 (janv. 2001). Part 2 : La Revue de Métallurgie – CIT, no 3, p. 281 à 294 (mars 2001).
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