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Carbure de calcium pour la désulfuration de l'acier : comment une granulométrie de 2 à 10 mm peut-elle améliorer l'efficacité de la désulfuration ?
2026-01-13
Observer la formation de scories à la surface de l'acier en fusion lors de la métallurgie en poche est un spectacle impressionnant, signe d'avancement. Cela signifie que la couche d'affinage synthétique s'est formée et que le nettoyage de l'acier a déjà commencé. Cependant, cette couche épaisse, qui absorbe les impuretés et empêche le contact entre l'acier et l'oxygène, fait également office de barrière physique, empêchant le désulfurant ( carbure de calcium ) d'atteindre l'acier en fusion sous-jacent. C'est là que la granulométrie du carbure de calcium devient essentielle !
L'élimination du soufre de l'acier est une étape cruciale du raffinage secondaire. Elle garantit l'usinabilité de l'acier et réduit considérablement sa teneur en impuretés. L'ajout de CaC₂ est une technique éprouvée depuis les années 1970. Toutefois, l'utilisation de particules de petite taille reste la méthode la plus courante pour un contrôle optimal.
Dans cet article, nous examinerons l'influence de la granulométrie du carbure de calcium (2 à 10 mm) sur le processus de désulfuration. Nous analyserons également son efficacité, sa sécurité et son coût. À la fin de cet article, le lecteur aura une idée précise de la granulométrie idéale pour son procédé de désulfuration de l'acier. Commençons par les bases : pourquoi le soufre est-il éliminé de l'acier ?
Informations générales sur le soufre dans l'acier
Le soufre présent dans l'acier provient généralement des matières premières, telles que le minerai de fer, les déchets d'acier ou les ferro-alliages. Le métal en fusion contient du soufre provenant de ces sources. Il est nécessaire de l'éliminer pour préserver les propriétés mécaniques de l'acier. Typiquement, la production d'un haut fourneau contient100-800 ppm de soufre, qui doit être réduit à 35-10 ppm, selon les exigences du procédé.
La nécessité de la désulfuration
L'acier de haute qualité à faible teneur en soufre est également appelé « acier propre ». Les produits des fours à arc électrique (FAE) et des convertisseurs à oxygène (CO) doivent subir un traitement métallurgique secondaire afin d'améliorer leur pureté. Voici les principales raisons pour lesquelles l'acier doit être désulfuré :
● Fragilité à chaud : Le fer présent dans l’acier réagit avec le soufre pour former du FeS. Le sulfure de fer a un point de fusion bas (988 °C), ce qui affecte l’usinabilité de l’acier, notamment lors du laminage à chaud et du forgeage. Le FeS fond, fragilisant l’acier et le rendant cassant et sujet à la fissuration.
● Mauvaise soudabilité : Lors du soudage, la chaleur intense provoque la fusion du métal. La partie saine se solidifie, créant des contraintes de traction internes. Le FeS restant liquide pendant un certain temps, ces contraintes deviennent insupportables, entraînant une fissure de solidification ou une déchirure à chaud.
● Résistance à la corrosion : De petits trous profonds peuvent se former à la surface lorsque le soufre réduit la résistance à la corrosion de l'acier.
●SO 2. Émissions : L'élimination du soufre contribue à maintenir les émissions de dioxyde de soufre dans les limites autorisées. Elle est essentielle pour garantir le respect des réglementations strictes en matière de qualité de l'air, qui imposent généralement une limite de 20 mg/ m³.
● Sous-produit de recyclage : L'ajout de CaC2 provoque la formation de scories de carbure, qui sont recyclables, assurant ainsi la durabilité (Qi et al., 2022).
La science derrière la désulfuration au carbure de calcium
Avant d'aborder l'influence de la taille des particules de carbure de calcium ( CaC₂ ) sur la désulfuration, comprenons le fonctionnement du procédé. Nous examinerons plus loin l'impact de la taille des particules de carbure de calcium et son rôle dans l'amélioration de ces mécanismes.
Mécanisme de réaction
La réaction principale qui entraîne la formation de la gouttelette à la surface de l'acier en fusion est :
CaC₂ + S → CaS + 2C
Le carbure de calcium réagit avec le soufre pour former du sulfure de calcium, libérant ainsi du carbone dans l'acier. Le CaS étant insoluble, il remonte à la surface de l'acier en fusion et peut être facilement éliminé après un temps approprié.
Effet des paramètres de processus
Qualité des réactifs
● Pureté du réactif : C’est simple. Un CaC₂ pur donnera une réaction plus intense. Un carbure de calcium d’une pureté supérieure à 63-68 % et de faibles teneurs en Si (< 2 %) et P (< 0,02 %) garantissent une réaction optimale et une faible contamination.
● Débit du réactif : Le contrôle de l’ajout du réactif est nécessaire pour obtenir des taux d’élimination élevés. Un débit de 200 à 300 g/min est considéré comme idéal.
Facteurs chimiques
● État de désoxydation : Pour empêcher le CaC2 d'être consommé par l'oxygène, l'acier fondu doit être maintenu dans un état à faible teneur en oxygène.
● Temps d'incubation : Le carbure de calcium ne réagit pas immédiatement. Il nécessite une période d'incubation initiale de 20 à 40 secondes avant que la cinétique de la réaction ne se déclenche.
● Étape limitante : La diffusion du soufre vers le CaC2 est l'étape limitante du processus.
● Température : L’effet est minime, de l’ordre de 3 % au-dessus de 100 °C. Il est donc essentiel de se concentrer sur d’autres aspects, comme le mélange.
Aspects mécaniques
● Rapport de pénétration (β) : L'efficacité de la réaction dépend du rapport de pénétration, qui est le débit de gaz (pour l'agitation) par rapport au débit de réactif (pour l'injection).
● Variante de procédé : Le choix entre le prétraitement à chaud et le raffinage en poche détermine le résultat.
● Mélange/Agitation : La configuration des systèmes d'injection de réactifs, tels que les systèmes à double lance, et le niveau d'agitation par gaz inerte déterminent le contact du soufre avec le carbure de calcium.
L'influence de la taille des particules ( 2-10 mm) sur la désulfuration
Après avoir examiné le processus de désulfuration et l'influence des différents paramètres sur son efficacité, nous pouvons aborder la partie la plus cruciale de notre discussion : l'impact de la taille des particules de carbure de calcium sur l'efficacité de la désulfuration. Dans les procédés à haute productivité, la taille optimale des particules se situe entre 2 et 10 mm.
Cinétique et réactivité soutenue
Nous analyserons l'influence de l'augmentation de la surface réactive sur la cinétique globale de la réaction. Le carbure de calcium doit rester stable dans le métal en fusion tout au long du processus. La plage de 2 à 10 mm est cruciale pour l'efficacité.
● Vitesse de réaction soutenue
Bien que la réduction du carbure de calcium en poudre pour son ajout à l'acier en fusion permette une réaction plus rapide, cet effet est éphémère. Une granulométrie de 2 à 10 mm assure un diamètre de transfert de masse efficace et constant, garantissant une réaction fiable tout au long du processus d'affinage (Coudure & Irons, 1994).
● Éviter le ralentissement chimique
La surface modérée des particules de 2 à 10 mm limite la formation rapide d'une couche de sulfure de calcium (CaS) qui « étouffe » les particules ultrafines en quelques secondes (Chiang et al., 1990). Cette croissance plus lente de la couche garantit que le cœur de carbure continue de réagir efficacement, selon une cinétique de diffusion prévisible.
Utilisation et contrôle physique
La robustesse physique des particules de carbure de calcium de 2 à 10 mm permet une utilisation supérieure des matériaux, contrairement à la poussière.
Taux d'utilisation élevé
Les particules de 2 à 10 mm permettent d'atteindre un taux d'utilisation du réactif de 55 à 75 %, contre seulement 40 à 55 % pour les poussières inférieures à 1 mm. Ceci s'explique par le fait qu'un plus petit nombre de particules sont immédiatement entraînées par le gaz vecteur (Coudure & Irons, 1994).
Excellent rapport de pénétration ( β )
Aux débits d'injection typiques, le taux de pénétration β atteint 25 à 35 %, soit nettement plus que pour les poudres fines. La masse plus élevée de ces particules leur permet de résister à l'entraînement par les bulles de gaz et assure leur pénétration profonde dans le métal en fusion.
Durée de séjour suffisante
Bien que le temps de séjour dans le panache d'injection soit court (0,8 à 3 secondes), des milliards de particules sont injectées, fournissant une exposition cumulative suffisante pour une désulfuration de 75 à 90 % en 180 à 240 secondes (Guo et al., 2023).
Résultats prévisibles
Un contrôle strict de la taille (>90 % dans les spécifications) garantit des valeurs K et β reproductibles d'un changement à l'autre, ce qui rend la réaction plus facile à contrôler et les résultats hautement prévisibles.
Avantages de l'utilisation de particules de 2 à 10 mm
Réaction optimisée Il équilibre la surface pour une cinétique efficace tout en empêchant la formation rapide d'une couche de CaS, prolongeant ainsi la réaction. | Meilleure pénétration Un taux de pénétration élevé (β=25-35%) dans le transport pneumatique assure un contact profond, conduisant à des gains substantiels de désulfuration par ajout de réactif. |
Mélange amélioré Les granulés permettent un brassage et une circulation efficaces grâce au bullage de gaz, réduisant ainsi les « zones mortes » inertes et maximisant la diffusion du soufre. | Sécurité accrue Réduit considérablement le risque d'explosion de gaz acétylène dû à l'exposition à l'humidité par rapport aux poudres fines, poussiéreuses et hautement réactives. |
Efficacité des processus Un contrôle précis de la taille permet d'obtenir des constantes de vitesse K et de pénétration reproductibles, garantissant des résultats hautement prévisibles et une efficacité de processus optimale. | Facilité de manipulation Les granulés sont moins abrasifs, ce qui permet des débits plus élevés et stables, et protège les équipements tels que les lances d'injection contre l'usure. |
Réduire le coût des réactifs L'amélioration de l'utilisation et la réduction des pertes permettent de réduire la consommation de réactifs d'environ 25 % par rapport aux méthodes utilisant des poudres de taille micrométrique. | |
Étude de cas : Exemple de TYWH
Les granulés de 2 à 10 mm constituent un produit commercial performant, avec des producteurs majeurs comme TYWH spécialisés dans sa production et son exportation mondiale. TYWH dispose d'une capacité de production annuelle de 120 000 tonnes et exporte dans le monde entier des granulés spécialisés de 2 à 4 mm et de 4 à 7 mm. Ces produits se caractérisent par une grande homogénéité granulométrique (plus de 90 % de produits conformes) et sont conditionnés sous atmosphère protectrice d'azote ( N₂) afin de garantir leur qualité et leur sécurité.
Si vous souhaitez en savoir plus surTYWH , alors visitez leur site web !
Conclusion
En résumé, l'optimisation de la granulométrie du carbure de calcium permet une utilisation accrue, une meilleure pénétration et une réaction optimale et durable. Elle contribue à réduire les coûts des réactifs et à améliorer la sécurité en diminuant les risques d'explosion et en garantissant des résultats prévisibles.
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