Les moules : composant crucial dans la coulée continue de l'acier

Les moules jouent un rôle important dans le processus de coulée continue de l'acier liquide. Ils sont le cœur du processus de coulée continue. Dans le processus de coulée continue, l'acier liquide est versé de la poche vers le moule de coulée à travers le tube d'immersion (SEN) immergé dans l'acier liquide. Les moules sont refroidis à l'eau. La solidification du liquide commence dans le moule par refroidissement indirect. Le processus de refroidissement dans le moule est connu sous le nom de processus de refroidissement primaire.

Dans le moule, une fine coquille d'acier près des parois du moule se solidifie avant la section centrale. C'est ce qu'on appelle un brin et il quitte la base du moule pour entrer dans une chambre de pulvérisation. La majeure partie de l'acier liquide à l'intérieur des parois du brin est encore en fusion. Le brin est immédiatement soutenu par des galets rapprochés, refroidis à l'eau, qui soutiennent les parois du brin contre la pression ferrostatique de l'acier liquide encore en solidification à l'intérieur du brin. Pour augmenter le taux de solidification, le brin est pulvérisé avec de grandes quantités d'eau alors qu'il passe à travers la chambre de pulvérisation. C'est le processus de refroidissement secondaire. La solidification finale du brin peut avoir lieu après que le brin a quitté la chambre de pulvérisation.

La fonction du moule de coulée continue est de recevoir l'acier liquide et de garantir un transfert de chaleur rapide vers l'eau de refroidissement pour permettre une solidification rapide. L'acier liquide, en quittant le moule, doit présenter une coquille externe juste assez épaisse pour l'empêcher de déborder sur les parties de la machine de coulée continue. Le moule doit servir cette fonction. Après le moule, le refroidissement supplémentaire du brin d'acier est effectué par un refroidissement direct plus rapide à l'aide de pulvérisations d'eau directes.

La solidification découle de la nature dynamique du processus de coulée. En particulier, cela se rapporte aux éléments suivants :

• Gestion de flux de chaleur très élevé dans le moule
• Protection de la coquille solide initiale mince et fragile pour éviter les fuites (breakout) pendant la descente du brin dans le moule
• Conception des paramètres de coulée en accord avec la dynamique de solidification de la nuance d'acier pour la minimisation ou l'élimination des défauts de surface et internes dans le produit coulé

Les éléments clés de la coquille d'acier quittant le moule sont : la forme, l'épaisseur de la coquille, la distribution uniforme de la température de la coquille, une qualité de surface et interne sans défauts avec une porosité minimale, et peu d'inclusions non métalliques.

Un fonctionnement sûr (c.-à-d. sans fuite de métal) de la machine de coulée et l'obtention d'une qualité d'acier coulé acceptable nécessitent la compréhension à la fois de l'ingénierie du processus et de la métallurgie de la solidification. Les aspects importants sont le contrôle du frottement dans le moule et l'impact des caractéristiques de la nuance sur le processus de solidification. Le premier est un exemple unique de combinaison du mécanisme de solidification et de l'ingénierie du processus, et le second définit les paramètres de coulée à appliquer pour la coulée de diverses nuances d'acier.

Le moule

Le moule est essentiellement une structure de boîte à extrémités ouvertes, contenant un revêtement interne refroidi à l'eau fabriqué à partir d'un alliage de cuivre à haute pureté. De petites quantités d'éléments d'alliage sont ajoutées pour augmenter la résistance. L'eau du moule transfère la chaleur de la coquille en solidification. La surface de travail de la face en cuivre est souvent plaquée de chrome ou de nickel pour fournir une surface de travail plus dure, et pour éviter la prise de cuivre sur la surface du brin coulé, ce qui peut faciliter les fissures de surface sur l'acier coulé. La profondeur du moule peut varier de 0,5 m à 2,0 m selon la vitesse de coulée et la taille de section.

Le moule est conique pour réduire la formation d'espace d'air. La conicité est typiquement de 1 % de la longueur du moule. Pour la section transversale du moule, la conicité est d'environ 1 mm pour 1 m de long du moule. La section transversale du moule est la section transversale de la section en cours de coulée. La section transversale du moule diminue progressivement du haut vers le bas.

Le placage qui consiste à revêtir la paroi intérieure du moule, vise à prolonger la durée de vie des moules en cuivre. La qualité du revêtement a un rôle significatif dans la détermination de la durée de vie du moule. Au fil des ans, différents types de revêtements ont été développés qui ont amélioré continuellement la qualité et l'efficacité coût des moules de coulée continue.

Selon les exigences du processus de coulée, différents procédés de revêtement et matériaux doivent être appliqués, pour obtenir un résultat optimal. Les matériaux de revêtement disponibles sont : Ag, Ni, Cr, Mo, CrO, ZrO et Al₂O₃. Le revêtement est appliqué par un procédé chimique, électrolytique ou thermique. Les différents types de revêtements disponibles sont les suivants :

• Revêtement parallèle – Ce type de revêtement empêche le contact direct entre le brin et le cuivre, contrôle les pertes thermiques (dans tous les cas, pas la dissipation) en variant l'épaisseur du revêtement, et améliore la durée de vie.
• Revêtement multiple – Ce type de revêtement compense les points chauds, et améliore la durée de vie.
• Revêtement parallèle partiel à l'entrée ou à la sortie du moule – Le revêtement à l'entrée réduit la dissipation de chaleur dans les zones supérieures du moule, empêche le chevauchement et améliore la durée de vie. Le revêtement à la sortie réduit la dissipation de chaleur à la fin du moule et améliore la durée de vie.
• Revêtement conique – Ce type de revêtement contrôle la dissipation de chaleur le long de la longueur du moule et améliore la durée de vie.

Les moules de coulée continue peuvent avoir différentes formes et conicités internes selon la section transversale à couler dans la machine de coulée continue. Quelques formes de section transversale typiques des moules sont montrées à la Fig. 1.

Exigences souhaitées du moule

Le moule doit être résistant à l'érosion thermique et à la distortion. Les propriétés souhaitées du moule sont les suivantes :

• Haute conductivité thermique
• Haute résistance et dureté pour assurer : (i) résistance à l'usure, (ii) résistance au fluage, (iii) résistance à la fatigue, et (iv) résistance à la fissuration
• Haute température de ramollissement (maintien des propriétés souhaitées à haute température)

Le contrôle de la hauteur de l'acier liquide dans le moule est crucial pour le succès de la machine de coulée continue. Cela est fait en contrôlant le niveau d'acier (niveau du ménisque). La solidification commence à partir du ménisque du niveau d'acier dans le moule. Des capteurs de niveau de moule sont utilisés pour contrôler le niveau du ménisque dans le moule. Les capteurs sont utilisés pour contrôler le niveau du ménisque.

Le moule extrait normalement environ 10 % de la chaleur totale. Le transfert de chaleur du moule est à la fois critique et complexe. La modélisation mathématique et informatique sont généralement utilisées pour développer une meilleure compréhension des conditions thermiques du moule, et pour aider à une conception et des pratiques d'exploitation appropriées. Le transfert de chaleur est généralement considéré comme une série de résistances thermiques comme suit :

• Transfert de chaleur à travers la coquille en solidification
• Transfert de chaleur de la surface de la coquille d'acier à la surface externe du moule en cuivre
• Transfert de chaleur à travers le moule en cuivre
• Transfert de chaleur de la surface interne du moule en cuivre à l'eau de refroidissement du moule

La solidification précoce dans la coulée continue se produit sous la forme de gel partiel de la courbure du ménisque provenant du point de contact liquide du moule. La prévention du collage et du déchirement de cette coquille initiale mince pendant la descente du brin en solidification est l'une des principales fonctions du moule. Pour minimiser le collage et le déchirement de la coquille, le frottement entre la surface du brin et la paroi du moule doit être maintenu en dessous d'un niveau critique dépendant de la résistance de la coquille.

Oscillation du moule

La minimisation du frottement et le relâchement continu de la coquille du moule ont été réalisés grâce à l'introduction de l'oscillation du moule aidée par la lubrification. Le moule est oscillé de haut en bas pour retirer le brin partiellement solidifié. La fréquence d'oscillation peut être variée. Le moule oscille aussi verticalement (ou sur un trajet courbe quasi vertical) pour empêcher l'acier liquide de coller aux parois du moule.

Le cycle d'oscillation influence le frottement moule-brin y compris le relâchement du brin du moule et définit aussi la topographie de surface du produit coulé. Les cycles d'oscillation du moule varient en fréquence, course et motif. Du point de vue de la lubrification, le cycle d'oscillation se traduit en deux phases d'exploitation comme ci-dessous :

• Phase de compression de durée t1 définie comme le temps de bande négatif où la poudre de moule est infiltrée dans l'espace entre la première coquille solidifiée et le moule. La période t1 voit une vitesse descendante plus élevée du moule par rapport à la vitesse de descente du brin et est responsable du relâchement de la coquille de la paroi du moule et permet le développement de contraintes de compression dans la coquille qui augmentent sa résistance en scellant les fissures de surface et la porosité.
• Phase de lubrification de durée t2 où des contraintes de traction sont appliquées à la première coquille solidifiée accompagnées du dépôt de la poudre de moule infiltrée contre la paroi du moule. Cela correspond au mouvement ascendant du moule.

L'oscillation du moule est nécessaire pour minimiser le frottement et le collage de la coquille en solidification, et éviter le déchirement de la coquille et les fuites d'acier liquide, qui peuvent causer des ravages sur l'équipement et des temps d'arrêt de la machine dus au nettoyage et aux réparations. Le frottement entre la coquille et le moule est réduit par l'utilisation de lubrifiants de moule tels que les huiles ou les poudres de flux de moule. L'oscillation est réalisée soit hydrauliquement, soit via des cames ou leviers entraînés par moteur qui supportent et font osciller (ou alternent) le moule.

L'oscillation du moule résulte en la formation de marques d'oscillation (MO) à intervalles quasi réguliers sur la surface du produit coulé. Ces marques peuvent être accompagnées par la formation de crochets solidifiés sous les marques d'oscillation. La formation de marques d'oscillation comprend essentiellement trois étapes principales :

• Solidification partielle du ménisque contre la paroi du moule et la poudre de moule sous la forme d'un crochet fragile.
• Flexion du crochet pendant t1 et guérison de toute déchirure de coquille (causée par la traînée visqueuse dans le coup montant précédent). La ligne de ségrégation est attribuée à la flexion de la coquille, où le liquide inter-dendritique riche en soluté est pressé vers la surface.
• Redressement de la coquille a lieu pendant le coup montant par traînée visqueuse. Le coup montant peut aussi être associé à un débordement d'acier liquide sur le crochet plié en cas de coquille de ménisque forte ou de montée du niveau du moule. Une combinaison de redressement de la coquille et de débordement de métal est aussi possible. Les marques d'oscillation tendent à être plus profondes en cas de redressement de la coquille, tandis qu'elles sont peu profondes et montrent des surfaces chevauchées lorsque le débordement se produit.

La forme du crochet et des marques d'oscillation est essentiellement liée à l'étendue de la flexion/redressement de la coquille et du débordement sur le ménisque pendant la coulée.

Lubrification du moule

Un lubrifiant peut aussi être ajouté à l'acier liquide dans le moule pour empêcher le collage, et pour piéger toute particule de laitier (y compris les particules d'oxyde ou les calamines) qui peuvent être présentes dans l'acier liquide et les amener au sommet du bassin pour former une couche flottante de laitier.

La lubrification dans le moule découle de l'infiltration de la poudre de moule dans l'espace brin-moule. Il y a un stratification du laitier dans l'espace. Le frottement dans le moule est considéré comme provenant de deux mécanismes. Le mouvement du moule par rapport à la coquille solidifiée donne naissance à une force de frottement due à la viscosité du film de laitier liquide. La force de frottement générée par ce mécanisme, appelée frottement liquide, est liée à la vitesse du moule, la vitesse de coulée, la viscosité du film de laitier liquide, et l'épaisseur du film de laitier.

Si un mouvement relatif se produit entre le brin et le laitier de moule solidifié, la force de frottement est générée par contact solide-solide. Le frottement solide qui en résulte est lié au coefficient de frottement solide, et à la pression ferrostatique de l'acier en fusion.

La lubrification liquide domine complètement dans la partie supérieure du moule. D'autre part, la valeur du frottement solide est inférieure au frottement liquide dans la partie inférieure du moule indiquant la domination de la lubrification solide. De plus, avec une viscosité de laitier plus faible, la zone de lubrification liquide s'étend davantage dans la partie inférieure du moule.

Le concept de frottement mentionné ci-dessus est utile pour expliquer la tendance accrue aux fuites de type collage avec l'augmentation de la vitesse de coulée. L'analyse de frottement indique que la prévention des fuites de type collage en coulée à grande vitesse nécessite une amélioration de la lubrification dans la partie supérieure du moule, particulièrement juste en dessous du ménisque.