La capacité désoxydante deferrosiliciumest essentiellement dû à la grande réactivité du silicium avec l'oxygène et à la stabilité des produits. Le mécanisme spécifique est le suivant :
Base thermodynamique de forte affinité pour l’oxygène :
L'énergie libre de réaction chimique entre le silicium (Si) et l'oxygène (O) est extrêmement faible (2SiO + O₂=2SiO₂, ΔG₂₀₀₀K=-1520kJ/mol), bien inférieure à celle entre le fer et l'oxygène (2Fe + O₂=2FeO, ΔG₂₀₀₀K=-540kJ/mol). Cela signifie qu'à haute température, le silicium se combine préférentiellement avec l'oxygène, éliminant fondamentalement l'oxygène de l'acier/du fer en fusion.
Élimination facile des produits de réaction :
Le silicium réagit avec l'oxygène pour former du dioxyde de silicium (SiO₂), qui a un point de fusion élevé de 1 713 degrés. Dans l'acier en fusion (1 500-1 600 degrés), il existe sous forme de particules solides d'une densité (2,65 g/cm³) bien inférieure à celle de l'acier en fusion (7,8 g/cm³). Il flotte rapidement à la surface de l'acier en fusion et est éliminé avec les scories, permettant ainsi une séparation efficace de l'oxygène.
La stabilité à haute-température garantit une réaction complète :
Le silicium a un point de fusion de 1410 degrés, tandis que les alliages de ferro-silicium (tels queFeSi75) ont un point de fusion d'environ 1 200 degrés, inférieur à l'environnement à haute température-de la fabrication/coulée de l'acier (1 500-1 600 degrés). Après addition, FeSi fond rapidement, permettant aux atomes de silicium de diffuser pleinement et de réagir complètement avec l'oxygène, évitant ainsi une désoxydation locale incomplète.
Caractéristiques clés soutenant la désoxydation du ferrosilicium
Une teneur élevée en silicium améliore la capacité de désoxydation :
Les qualités de ferrosilicium industriel couramment utilisées sont FeSi75 (teneur en silicium 72 % à 80 %) etFeSi65(teneur en silicium 60 %-65 %). Plus la teneur en silicium est élevée, plus l'efficacité de désoxydation par unité de masse du ferrosilicium est élevée. Par exemple, 1 kg de ferro-silicium à 75 % peut éliminer environ 0,4 kg d'oxygène de l'acier en fusion, soit 1,5 à 2 fois celui des alliages à faible teneur en silicium.
Vitesse de réaction adaptée aux procédés métallurgiques :
La vitesse de réaction entre le silicium et l'oxygène augmente avec la température. Au-dessus de 1 500 degrés, la réaction peut être achevée en quelques minutes, répondant ainsi aux exigences du processus de fabrication de l'acier pour « une désoxydation rapide et des cycles de fusion raccourcis », évitant ainsi l'oxydation secondaire de l'acier en fusion due à des temps de désoxydation trop longs.
Aucune impureté nocive introduite :
Les principaux composants du ferro-silicium sont uniquement du silicium et du fer, exempts d'éléments nocifs tels que le soufre et le phosphore (le FeSi de qualité industrielle-75# nécessite S inférieur ou égal à 0,05 %, P inférieur ou égal à 0,04 %). Il ne contamine pas l'acier en fusion lors de la désoxydation, garantissant ainsi la pureté du matériau métallique.
Applications pratiques et effets de la désoxydation du ferrosilicium
Désoxydation principale dans la sidérurgie :
Dans la fabrication de l'acier avec convertisseurs et fours à arc électrique, l'alliage de ferrosilicium est souvent utilisé en combinaison avec le ferromanganèse et l'aluminium ("ferrosilicium-pré-désoxydation du manganèse + désoxydation finale de l'aluminium"). L'ajout de FerroSilicon 75 % représente généralement 0,3 % à 0,8 % de la masse d'acier fondu, ce qui peut réduire la teneur en oxygène de l'acier fondu de 80 à 100 ppm à 30 à 50 ppm, réduisant ainsi les inclusions d'oxyde et améliorant la ténacité et les performances de traitement de l'acier.
Désoxydation de fonderie :
Dans la production de fonte ductile et de fonte grise, l'alliage fesi peut obtenir simultanément des effets de désoxydation et d'inoculation. L'ajout de 0,2 % à 0,5 % de FeSi 75 peut éliminer l'oxygène du fer fondu (empêchant la formation d'inclusions d'oxydes qui affectent la sphéroïdisation du graphite) et favoriser la précipitation du graphite, améliorant ainsi les propriétés mécaniques des pièces moulées.
Désoxydation des alliages spéciaux :
Dans la production d'acier inoxydable et d'acier-faiblement allié, en utilisantferrosilicium à faible teneur en-aluminium(Al inférieur ou égal à 1 %) peut empêcher la formation d'inclusions d'AlN provenant de la réaction de l'aluminium avec l'azote dans l'acier, garantissant ainsi la résistance à la corrosion et la soudabilité de l'alliage.
Facteurs clés affectant l’effet de désoxydation du ferrosilicium
Sélection de qualité de ferrosilicium :
Pour les nuances d'acier-à exigences élevées (telles que l'acier à roulements et l'acier à ressorts), le FeSi75 est préféré pour garantir une désoxydation complète ; pour l'acier au carbone ordinaire, le FeSi65 peut être utilisé pour équilibrer le coût et l'effet.
Moment et méthode d’ajout :
Il doit être ajouté avant ou pendant le processus de taraudage de l'acier en fusion pour éviter un ajout prématuré conduisant à une oxydation du silicium par les scories ; les grands fours électriques peuvent utiliser une méthode de « flux-en plus » pour garantir un mélange complet du ferrosilicium et de l'acier fondu.
Contrôle de la température de l'acier :
Lorsque la température est inférieure à 1 400 degrés, la vitesse de réaction entre le silicium et l’oxygène diminue considérablement. Il est nécessaire de s'assurer que la température de l'acier ne descende pas en dessous de 1 500 degrés pour éviter une réduction de l'efficacité de la désoxydation.
Correspondance de basicité des scories :
Lorsque la basicité des scories (CaO/SiO₂) est contrôlée entre 1,8 et 2,2, elle favorise la combinaison de SiO₂ et CaO pour former des scories de silicate de calcium (CaSiO₃), réduisant la re-dissolution de SiO₂ dans l'acier et améliorant la stabilité à la désoxydation.
Avantages et valeur industrielle de la désoxydation du ferrosilicium
Rentabilité- élevée :
Le coût de désoxydation du ferrosilicium n'est que de 1/3 à 1/2 de celui de l'aluminium, et il est largement disponible, ce qui en fait le désoxydant le plus économique dans la production à l'échelle industrielle-.
Forte adaptabilité des processus :
Il peut être adapté à différents équipements métallurgiques tels que les convertisseurs, les fours électriques et les fonderies, sans nécessiter de modifications supplémentaires du processus, et est facile à utiliser.
Il a plusieurs fonctions :
tout en désoxydant, il peut compléter le silicium et ajuster la composition acier/fer (par exemple en améliorant la résistance de l'acier et les performances de coulée de la fonte), obtenant ainsi « un matériau pour des usages multiples ».
