Technologie de coulée de brames à ailes : production efficace de poutres en acier

Le développement de la coulée directe de brames à ailes (beam blanks) est l'une des plus belles réussites dans l'évolution de la coulée continue de l'acier. La coulée continue de sections transversales quasi nettes, appelées « brames à ailes » ou « dogbones », est un procédé commercial efficace pour fabriquer des produits longs en acier tels que les poutres I et H depuis que la première lingotière à brames à ailes a été mise en service chez Algoma Steel (maintenant Essar Steel Algoma Inc., Sault Ste. Marie, Canada) en 1968. Son avantage économique par rapport à la coulée conventionnelle de blooms est dû à une productivité plus élevée, des coûts de laminage plus bas et une efficacité énergétique améliorée.

Comme pour beaucoup d'autres innovations, l'industrie sidérurgique relativement conservatrice a eu besoin de temps pour accepter ce concept révolutionnaire. Son application réussie a dépendu de la coopération interdisciplinaire et de l'optimisation des processus de coulée et de laminage. Cet effort pionnier a immédiatement attiré un large intérêt non seulement dans l'industrie sidérurgique, mais aussi du monde universitaire, par exemple dans l'étude du motif de solidification de cette forme de brin complexe. Néanmoins, il a fallu cinq ans de plus avant que la prochaine lingotière à brames à ailes ne démarre aux travaux de Mizushima de Kawasaki Steel Corporation.

Évolution vers les formes quasi nettes

La coulée continue et le laminage de brames à ailes sont devenus une pratique courante dans la production de poutres en acier. Le développement ces dernières années se concentre sur la coulée de brames à ailes de forme quasi nette. La différence entre la brame à ailes conventionnelle et la brame à ailes quasi nette est montrée à la Fig. 1. La brame à ailes conventionnelle a une aile relativement épaisse, généralement plus de 100 mm, tandis que la brame à ailes quasi nette a une épaisseur d'aile inférieure à 100 mm, généralement avec une limite inférieure de 50 mm dans la pratique. Des dizaines, voire une centaine de poutres peuvent être produites par laminage d'une seule brame à ailes.

La coulée de brames à ailes offre pour la production de sections lourdes et moyennes, grâce à la coulée quasi nette, des avantages similaires à ceux de la coulée de brames minces pour la production de produits plats. Pour la fabrication de poutres I et H dans la gamme de poids supérieure, l'application de brames à ailes coulées au lieu de blooms conventionnels est une excellente alternative.

La coulée directe de brames à ailes de petite taille réduit significativement le nombre de passes de laminage. Habituellement, en partant d'un bloom/billette standard, 6 passes de déformation plus 10 passes de finition sont nécessaires pour former la section IPE 100 (100*50*5 mm). Si la taille des brames à ailes coulées est réduite à 110*70*12 mm (25 kg/m), alors seulement un total de 6 passes sont nécessaires pour former la section IPE 100.

La production de poutres quasi nettes est aussi l'un des intérêts récents des producteurs de poutres dans le monde pour réduire les coûts induits par le réchauffage et le laminage des brames à ailes. Cela est fait en combinant la coulée de brames à ailes quasi nettes (épaisseur d'âme de 50 mm) et le laminage direct. La nuance du quasi net est déterminée par le nombre minimum de passes de laminage requis pour obtenir la microstructure métallurgique désirée.

L'usine basée sur le concept de brame à ailes quasi nette est très compacte. Elle consiste principalement en des lingotières à brames pour fournir la brame à ailes, un four pour atteindre la distribution de température requise pour le laminage, un stand de déformation conventionnel, et un groupe de stands universels U1-E1-U2 incluant un stand de déformation universel, un stand de calibrage à 2 cylindres et un stand de finition universel.

Les avantages économiques de la coulée de brames à ailes peuvent être principalement attribués au processus de laminage. En raison de la forme quasi nette des brames à ailes, moins de travail de laminage dans le laminoir de déformation est nécessaire pour atteindre la section transversale nécessaire pour les opérations de laminage ultérieures. Par exemple, chez ARBED-SWT (Stahlwerk Thüringen), dans le passé, la poutre IPE 300 était produite à partir d'une section transversale de bloom rectangulaire de 80x300 mm par l'application de 11 passes de laminage dans le stand de laminoir de déformation. Aujourd'hui, en utilisant la section transversale de brame à ailes, seulement 5 passes sont nécessaires pour obtenir le même résultat.

Les avantages suivants sont disponibles grâce à la coulée et au laminage de brames à ailes conventionnelles :

• Moins de passes de laminage au laminoir de déformation
• Augmentation de la productivité d'un laminoir existant d'environ 15 %
• Réduction de la consommation d'énergie aux stands de déformation du laminoir d'environ 55 %
• Moins de coûts de cylindres dus au nombre réduit de stands de laminage
• Moins de coûts de maintenance au stand de déformation (économies d'environ 55 %)

La production du laminoir est augmentée d'environ 1 %, due à une meilleure formation de forme en conséquence de la brame à ailes quasi nette, particulièrement au début de la poutre laminée. Il y a un potentiel additionnel d'économies de coûts d'énergie de réchauffage d'environ 8 % causé par le meilleur rapport surface/volume pour les brames à ailes en cas de chargement à froid.

Les avantages économiques dus à la forme quasi nette de la coulée de brames à ailes pour la production de poutres et sections peuvent être principalement attribués aux coûts de laminage réduits (ou éliminés) au stand de déformation du laminoir à chaud. Ceux-ci sont résumés ci-dessous :

• Environ 30 % de coûts d'investissement inférieurs
• Environ 15 % de productivité accrue
• Élimination des passes de laminage au stand de déformation
• Environ 1,5 % de rendement plus élevé
• Coûts d'exploitation plus bas
• Consommation d'énergie plus basse et émissions de CO₂ et NOx plus basses
• Environ 55 % de coûts de maintenance plus bas
• Heures-homme réduites par tonne d'acier
• Stockage intermédiaire de blooms non nécessaire

Les avantages ci-dessus ont contribué substantiellement à l'augmentation rapide de la coulée de brames à ailes ces dernières années.

Opération de la poche de distribution (tundish)

Pour les petites tailles de brames à ailes, le coulage à jet libre et la lubrification à l'huile sont appliqués. Comme dans la coulée de billettes d'aciers de qualité commerciale, deux buses doseuses par moule sont utilisées pour une alimentation en acier uniforme. La coulée avec buses doseuses nécessite un équilibre soigneux de l'activité en oxygène de l'acier pour atteindre la « fenêtre de fonctionnement » entre le colmatage de la buse et la formation de trous d'épingle. Normalement, une désoxydation simple Mn/Si est préférée, avec un contrôle des trous d'épingle fourni par l'alimentation en fil d'aluminium au moule.

Pour les tailles plus grandes, l'application de poudre de moule est préférée pour minimiser la solidification inégale, les dépressions de surface du brin, les fissures et les saignées. Dans de tels cas, le coulage à jet libre est combiné avec des entonnoirs réfractaires immergés pour empêcher l'entraînement de poudre. Dans le cas d'aciers à grain fin à l'aluminium pour des exigences de haute résistance, un contrôle actif d'écoulement par bouchon et gainage de jet avec un tube d'immersion (SEN) est appliqué, couramment en utilisant une disposition à SEN unique. Cela est avantageux par rapport au contrôle du niveau du moule et au coût d'exploitation.

Conception du moule

La conception et l'exploitation du moule sont un facteur clé dans la coulée de brames à ailes. La conception du moule se distingue par trois générations de variantes de conception comme indiqué ci-dessous :

• Première génération – C'était un moule en bloc avec des alésages d'eau forés, consistant en deux moitiés. L'ouverture, la fermeture et le verrouillage sont faits par un moteur pneumatique pour faciliter le retrait de la brame en cas d'incident. Ce moule a été modifié plus tard par l'ajout de deux étages de galets de pied.
• Deuxième génération – Ce type de moule implique une conception hybride bloc/plaque, ce qui signifie que les parois latérales sont en plaques de cuivre laminées à froid présentant des rainures pour une vitesse d'eau plus élevée.
• Troisième génération – Elle est similaire à la précédente, mais avec les faces étroites serrées entre les faces larges pour une plus grande ajustabilité.

Cette dernière conception s'est avérée particulièrement utile pour la production d'une gamme étendue de sections de poutres à ailes larges. Pour les sections plus petites, des moules tubulaires avec une épaisseur de paroi de 6 mm à 32 mm sont utilisés.

Actuellement, il y a deux conceptions de base pour les moules à brames à ailes qui sont utilisées. La première est le moule tubulaire, qui est principalement utilisé pour les formats de brames à ailes jusqu'à 300 mm x 400 mm de dimensions de section transversale externe. Selon la taille de la brame à ailes, la paroi du tube en cuivre a une épaisseur jusqu'à 32 mm et l'eau de refroidissement primaire est guidée entre la surface externe du tube en cuivre et un tube baffle spécial. Pour des raisons de fabrication, il n'est pas possible de concevoir le moule avec une conicité négative sur la zone d'épaule ou avec des variations de l'épaisseur de la paroi en cuivre pour l'homogénéisation de la température sur la circonférence du brin de brame à ailes.

Pour les sections de brames à ailes plus grandes, un moule à plaques est plus approprié. Ici, des plaques de cuivre individuelles sont fixées sur des plaques de support et connectées via des vis pour former la section transversale. L'eau de refroidissement primaire est guidée à travers des fentes et des trous de refroidissement. Avec cette conception, une conicité négative dans la zone d'épaule pour compenser le retrait de l'âme et un arrangement amélioré des trous de refroidissement pour l'homogénéisation de la température de surface du cuivre est possible.

Pour assurer une longue durée de vie du moule, on utilise généralement du CuCrZn comme matériau de moule pour une haute résistance à l'usure. Cela est encore renforcé par un placage de chrome, dans certains cas, un revêtement multiple (avec trois couches) étant utilisé.

Les moules relativement lourds nécessitent une oscillation robuste. Une conception à levier court avec excentrique entraîné par moteur et tige de poussée est pratiquement sans maintenance. Elle assure aussi une haute précision de guidage avec un écart de ligne de passe inférieur à 0,02 mm. Pour des marques d'oscillation peu profondes, le mode course courte/fréquence élevée est le plus approprié pour la gamme de faible teneur en C des aciers de construction.

Conception de la conicité

Un défi particulier dans la conception du moule est le choix de conicités adéquates pour les formes complexes de brames à ailes. Alors qu'une conicité positive est appliquée pour les ailes externes, une conicité nulle ou négative est requise pour le filet d'âme. L'angle intérieur des ailes ainsi que les rayons entre l'aile et l'âme sont aussi d'importance. Ces dernières années, la conception de la conicité est soutenue par l'analyse par éléments finis (FEM) de l'échange thermique du moule, de la croissance de la coquille et de la contraction de la coquille.

Les conditions géométriques et thermiques du moule pour la solidification initiale du brin sont extrêmement importantes afin d'obtenir un brin avec une qualité de surface et interne exceptionnelle. Un système de refroidissement primaire correctement conçu et une conicité du moule sont donc des préconditions nécessaires pour répondre à ces exigences. Un modèle éléments finis 2D (2 dimensions), entièrement couplé thermo-mécanique, est utilisé pour calculer les champs de température et de déplacement du brin pendant la solidification initiale dans le moule.

Ce type de simulation fournit une meilleure compréhension du comportement complexe de retrait d'une section de brame à ailes particulière, permettant de déterminer avec précision la forme et la conicité du contour interne du moule.

Ce modèle éléments finis 2D a été couronné de succès par rapport à la croissance de la coquille, la qualité interne et de surface de la brame à ailes et l'usure du moule.

Une analyse transitoire, négligeant le flux de chaleur dans la direction longitudinale, fournit les champs de température et de déplacement. L'influence de différentes conicités de moule sur la croissance de la coquille, les champs de température et les pressions de contact dues au retrait de la coquille peut être facilement étudiée. La pression ferrostatique interne augmente à mesure que la coquille du brin traverse le moule.

Longueur de support du brin

Pour la conception de la longueur de support du brin, une analyse transitoire de transfert de chaleur de la section de poutre est généralement effectuée. Ce type d'analyse fournit les informations nécessaires sur la croissance de la coquille dans le support du brin et la longueur métallurgique exacte. Un support d'âme trop court peut causer un bombement ou même une ouverture du centre de l'âme. Cela peut mener à une ségrégation de l'acier et des variations d'épaisseur d'âme. Un support d'aile trop court peut causer un bombement et des fissures d'interface. En raison de la forme unique de la section de brame à ailes, quatre zones différentes sur la surface de la section de brame à ailes doivent être supportées individuellement. Celles-ci sont données ci-dessous :

• Âme – Afin d'empêcher le bombement de l'âme, et donc une ségrégation centrale plus prononcée, l'âme de la section de brame à ailes doit être supportée jusqu'à ce qu'une solidification suffisante sur sa largeur soit atteinte. L'analyse thermique 2D fournit l'information pour la longueur de support nécessaire.
• Aile – L'aile doit être supportée afin d'empêcher le bombement et les fissures internes. Une analyse thermique 2D fournit le champ de température et l'épaisseur de coquille correspondante. Une analyse de contrainte subséquente affiche les champs de contrainte/déformation et de déplacement, qui résultent de la pression ferrostatique interne du noyau d'acier liquide. Le critère pour la longueur de support dans cette zone est la déformation d'interface générée due à la pression ferrostatique à la transition liquide/solide de la surface interne de l'aile.
• Pointe d'aile – Des critères similaires s'appliquent à la pointe d'aile que pour l'aile entière et en général la longueur de support dépend de la taille de coulée et de la vitesse de coulée. Dans de nombreux cas, particulièrement pour les basses vitesses de coulée et les petites sections transversales de brames à ailes, aucun support additionnel autre que les galets de pied du moule n'est nécessaire.
• Épaule – En raison de sa forme physique, la zone d'épaule agit comme une arche, et donc aucun support n'est normalement nécessaire. Une analyse éléments finis 2D montre le champ de contrainte et de déplacement.