Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Cet article est consacré au four électrique de fusion, il en décrit l’histoire, le principe, la description technologique et son alimentation électrique. Essentiellement outil de production d’acier liquide, le four à arc est constitué d’une cuve en acier et d’électrodes en graphite qui transfèrent l’énergie électrique de l’alimentation à la charge contenue dans le four. La conception de l’aciérie doit permettre au four à arc d’atteindre sa production maximale, sans perte de temps dans les opérations annexes, et ceci avec un minimum de main d’œuvre.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Patricia AYED : Docteur-Ingénieur-ATS/FFA (Association Technique de la Sidérurgie/Fédération Française de l’Acier)
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Claude OUVRADOU : Directeur général Creusot-Métal - Président de la commission ATS des Aciéries électriques
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Jacques ASTIER : Ancien Directeur à l’Institut de recherche de la sidérurgie française (IRSID) Ingénieur-conseil
INTRODUCTION
Le four à arc est essentiellement un outil de production d’acier liquide à partir de ferrailles, celles-ci pouvant être remplacées partiellement par de la fonte ou des minerais préréduits ([28] et § 7.8 et § 7.9).
Il se compose d’une cuve d’acier garnie de réfractaires et l’énergie nécessaire est fournie par des arcs électriques jaillissant entre des électrodes en graphite et la charge.
L’affinage de l’acier fondu est réalisé par réaction du métal liquide avec un laitier à base de chaux. Le garnissage du four est donc basique 3.2.
L’opération de fusion est souvent accompagnée, ou suivie, d’une opération de décarburation et de déphosphoration réalisée par addition de minerai de fer ou insufflation d’oxygène dans le bain.
La décarburation doit amener le bain à la teneur en carbone désirée et, grâce au dégagement d’oxyde de carbone produit, elle facilite l’élimination des gaz dissous.
La déphosphoration est obtenue par oxydation du phosphore et combinaison du P2O5 obtenu avec la chaux du laitier.
Après élimination totale ou partielle (par débordement au-dessus du seuil de la porte) du laitier suroxydé et phosphoreux obtenu, le métal peut être soit coulé en poche pour affinage, soit préaffiné au four avec des désoxydants puissants, comme le silicium ou l’aluminium, sous un laitier basique riche en chaux (marche dite « à deux laitiers »). Des éléments d’alliage peuvent également être ajoutés. Le réglage précis de la température du métal à la coulée du four en poche est un des points clefs pour la fabrication d’acier de qualité. Selon les nuances d’acier et les opérations prévues en poche, les températures visées au four, avant coulée, peuvent varier de 1 550 à 1 750 ˚C (cf. articles spécialisés de la rubrique Ensembles sidérurgique de ce traité).
Marche acide : le four à arc peut cependant être utilisé avec un garnissage acide lorsque, compte tenu des matières premières utilisées et des spécifications demandées, la déphosphoration et la désulfuration du métal ne sont pas nécessaires. Cette technique est utilisée dans certaines fonderies de fonte et d’acier et le four à arc est alors uniquement un instrument de fusion.
L'expertise technique et scientifique de référence
VERSIONS
- Version archivée 1 de juil. 1988 par Claude BARBAZANGES, Marc AMBLARD
- Version archivée 3 de juil. 1995 par Patricia AVED, Claude BARBAZANGES, François LEMIÈRE
DOI (Digital Object Identifier)
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Principe du four à arc1. Historique du four à arc
Connu depuis les brevets de Moissan, l’arc électrique doit à Héroult ses premières applications industrielles, d’abord à La Praz en France le 9 octobre 1900, puis quelques années plus tard à Syracuse (États-Unis).
Le four d’Héroult (figure 1) avait une capacité de 2 500 kg. Alimenté en continu sous 110 V et 4 000 A, il a été le premier à pouvoir produire de l’acier à partir de ferrailles.
Ses qualités lui valurent un développement rapide. Ne permettait-il pas, à la différence du convertisseur et du four Martin, d’obtenir les températures élevées autorisant toute addition de ferroalliages en ambiance non oxydante ?
Mais le prix de l’énergie électrique et sa faible productivité ne lui permettaient pas d’entrer en compétition avec le tandem haut fourneau-convertisseur (ou four Martin) pour la production d’acier ordinaire, si bien qu’en 1939 il était encore réservé aux aciers de qualité et aux aciers spéciaux. Sa capacité ne dépassait pas une quarantaine de tonnes et sa puissance une dizaine de mégavoltampères.
Les progrès technologiques, suscités par les besoins en aciers spéciaux pendant la Seconde Guerre mondiale, permirent une augmentation sensible des capacités et des puissances, si bien que vers 1950 le four à arc de 150 à 170 t (7,200 m de diamètre de cuve) et d’une puissance de 36 à 40 MVA a pu, dans certaines conditions, entrer en compétition avec le four Martin pour la fabrication d’aciers au carbone.
Telle était la conclusion d’un rapport de 1953 du Batelle Memorial Institute, qui fit grand bruit à l’époque et entraîna la construction d’un certain nombre d’aciéries électriques de 500 000 à 1 000 000 t de capacité annuelle, et destinées à remplacer des aciéries Martin.
Dès cette époque apparurent également, aux États-Unis, de petites aciéries, d’une capacité annuelle de quelques dizaines de milliers de tonnes, constituées d’un four à arc, coulant en chute des lingots billettes, et d’un petit laminoir.
Situées dans des régions éloignées des grands centres de production d’acier, collectant les ferrailles locales, elles alimentaient, essentiellement en ronds à béton, une clientèle régionale avec une souplesse qui leur permettait de mieux résister...
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Historique du four à arc
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - The Electric Arc Furnace - . International Iron and Steel Institute 3rd report (1990).
-
(2) - AYLEN (J.) - Electric Arc Steelmaking - . IISI Report. Steel Times (mai 1991).
-
(3) - NODA (T.), coll - Development of DC Arc Furnace - . Daïdo Steel (1990).
-
(4) - MICHARD (J.A.) - Quel avenir pour les outils de la sidérurgie - . Cahiers Français de l’Électricité, no 9 (1991).
-
(5) - ASTIER (J.), Van den BROEK (J.) - Les Fours à Arc - . Cahiers Français de l’Électricité, no 4 (1991).
-
(6) - BOUSSARD (P.), SMIESZKOL (J.), DWORATZEK (C.) (Vallourec Saint-Saulve), PAUL (G.), PFISTER (P.) (BSE Kehl) - Pratique industrielle à Vallourec Saint-Saulve des bras conducteurs en aluminium - . ATS Journées Sidérurgiques 92, Paris (déc. 1992).
- ...
Les données générales rassemblées ici se subdivisent entre :
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les frais d’investissement ;
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les coûts des opérations en aciérie électrique.
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Frais d’investissement
Le tableau donne, à titre de comparaison les frais d’investissement en euros par tonne annuelle d’acier brut correspondant :
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à une usine intégrée ;
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à une aciérie électrique fondée sur la refusion de ferrailles ;
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à une aciérie électrique fondée sur l’utilisation de minerais préréduits à partir de gaz naturel.
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Coûts des opérations en aciérie électrique
Ces coûts constituent, hors amortissement, frais financiers et frais généraux ou commerciaux, les frais des opérations en aciérie électrique, c’est-à-dire les cash costs ; comme on l’a vu dans l’article (paragraphe 7.7 et figure 36), les matières premières constituent la plus grande partie de ces coûts. Dans le détail, il est difficile d’indiquer des valeurs plus précises pour chacun des postes car les prix unitaires varient beaucoup d’un endroit à un autre ; on ne peut donner que des ordres de grandeur qui sont, hors matières premières, entre 35 et 55 € ou dollars des États-Unis par tonne d’acier liquide (voir [M 7 130]).
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