Métallurgie de la poche de distribution (tundish) : optimisation du transfert d'acier pour la coulée continue

Pour transférer l'acier liquide d'une poche de coulée à la machine de coulée continue, un récipient intermédiaire, appelé poche de distribution (tundish), est utilisé. Le tundish est un grand récipient rectangulaire à fond plat, revêtu de réfractaire, qui peut avoir un couvercle réfractaire sur le dessus. Le fond du tundish a un ou plusieurs ports de buse avec des clapets coulissants (slide gates) ou des tiges d'obturation (stopper rods) pour contrôler l'écoulement de l'acier liquide. Le tundish est souvent divisé en deux sections : (i) une section d'entrée, qui a généralement une boîte de coulée et où l'acier liquide est alimenté depuis la poche de coulée d'acier, et (ii) une section de sortie à partir de laquelle l'acier liquide est alimenté dans le(s) moule(s) de la machine de coulée continue. Divers dispositifs de contrôle d'écoulement, tels que des barrages, des déversoirs, des déflecteurs avec trous, etc., peuvent être disposés le long de la longueur du tundish. Un chemin plus long est préféré pour prolonger le temps de résidence de l'acier liquide et favoriser la flottation des macro-inclusions. Les éléments importants de la métallurgie du tundish sont montrés à la Fig. 1.

Le tundish de coulée continue sert de tampon et relie le processus discontinu de la métallurgie secondaire dans la poche avec le processus de coulée continue dans le moule. Il agit comme un réservoir pendant les périodes de changement de poche et continue à fournir de l'acier liquide au moule lorsque l'acier liquide entrant est arrêté, rendant possible la coulée séquentielle par un certain nombre de poches. Les causes principales de formation d'inclusions et de contamination de l'acier liquide incluent la réoxydation de l'acier liquide par l'air et le laitier de poche oxydant entraîné, l'emprisonnement de laitier de tundish et de poche, et l'émulsification de ces laitiers dans l'acier liquide. Ces inclusions doivent être flottées hors de l'acier liquide pendant son écoulement à travers le tundish avant d'être coulées dans le moule.

Autrefois, lorsque la métallurgie de poche (ex. four à poche, LF) n'était pas pleinement développée, le tundish était censé fonctionner comme un raffineur de l'acier liquide désoxydé transféré de la poche où les inclusions n'étaient pas entièrement éliminées. Sans traitement LF, l'acier liquide désoxydé avait des macro-inclusions et un grand nombre de micro-inclusions d'origine indigène qui pouvaient s'agglomérer pour former des macro-inclusions pendant le transfert de l'acier liquide. Un tundish est capable de réduire une certaine fraction de macro-inclusions de l'acier liquide, d'ajuster les compositions chimiques, et de contrôler la température de l'acier liquide à un niveau approprié pour l'alimentation dans le moule. Avec l'utilisation du LF et/ou du dégazeur, la propreté de l'acier liquide s'est considérablement améliorée au fil des ans pour répondre aux demandes de plus en plus strictes des clients, et le tundish est maintenant vu plus comme un contaminateur que comme un raffineur. Une contamination appréciable se produit généralement pendant les périodes transitoires (ou non stationnaires) de la coulée séquentielle, c.-à-d., pendant l'ouverture de la poche, à la transition de deux chauffées (ou changement de poche), et pendant le vidage de la poche.

Pendant les périodes transitoires, le flux d'acier liquide entrant et tout éclaboussure de métal liquide sont fortement réoxydés par l'air ambiant et par le laitier de poche oxydant qui est entraîné dans le tundish avec l'acier liquide. Le flux d'acier liquide frappe et émulsifie agressivement le laitier de poche et le laitier de tundish flottant sur la surface de l'acier liquide, qui finissent par être entraînés dans l'acier liquide. La réoxydation et l'emprisonnement de laitier génèrent tous deux des macro-inclusions d'oxyde nocives. L'acier liquide désoxydé à l'aluminium, même après l'élimination des grosses particules de produit de désoxydation dans le LF, contient un grand nombre de particules fines d'alumine en suspension. Ces particules s'agglomèrent par l'écoulement turbulent de l'acier liquide pendant le transfert de l'acier liquide de la poche via le tundish vers le moule, formant de grands amas d'alumine.

Les macro-inclusions et les grands amas d'alumine sont connus pour être la cause majeure des problèmes de traitement en aval et des défauts se produisant dans les brins et leurs produits finaux. Les clients des usines sidérurgiques exigent généralement de l'acier plus pur avec une taille plus petite de macro-inclusions et d'amas pour une meilleure performance des produits en acier. Par conséquent, la conception et l'exploitation d'un tundish doivent être orientées vers la minimisation de la formation des macro-inclusions et des amas d'alumine, et leur élimination une fois qu'ils se forment. Sinon, tous les efforts faits pour nettoyer la fonte dans le LF et pendant les autres étapes du processus sont sans valeur.

Dans ses stades initiaux de développement, le tundish était considéré comme rien de plus qu'un réservoir pour contenir suffisamment d'acier liquide pour fournir une charge constante au-dessus du moule, et pour permettre un échange de poche sans interruption de la coulée séquentielle. Avec l'accent continu sur la qualité supérieure de l'acier, il est de plus en plus clair que le tundish de coulée continue a une fonction bien plus importante en tant que réacteur continu que ce qui était envisagé à l'origine. Le tundish, qui est un coupleur crucial dans le processus de coulée continue d'acier de haute qualité, a maintenant véritablement été reconnu comme un réacteur métallurgique critique. En tant que tel, c'est un récipient dans lequel une série d'opérations se produit qui nécessite un contrôle chimique, thermique et physique.

Diverses technologies telles qu'une longue buse ou un tuyau de gainage à gaz inerte ont été mises en œuvre pour réduire la réoxydation par l'air et l'émulsification du laitier. De même, des dispositifs de contrôle d'écoulement de la fonte ont été utilisés pour améliorer la flottation des inclusions formées pendant le processus. La mise en œuvre d'un contrôle actif de la température de l'acier liquide dans le tundish a également contribué à la coulée d'acier pur. Ces mesures se sont avérées assez réussies, au moins pendant l'exploitation en régime permanent du tundish, mais peuvent ne pas être suffisantes pour l'exploitation en régime non permanent. L'exploitation en régime non permanent est une partie intégrante de la coulée séquentielle longue pour un meilleur rendement métallique. Bien qu'il soit souhaitable de couler de l'acier de haute qualité, un compromis entre la qualité et le coût a toujours été fait dans toute exploitation de tundish.

La qualité de l'acier liquide livré du tundish au moule dépend fortement du degré et du contrôle de l'interaction des phases laitier, gaz et réfractaire avec l'acier liquide. Un tundish moderne est conçu pour fournir une opportunité maximale pour effectuer diverses opérations métallurgiques telles que la séparation d'inclusions, la flottation, l'alliage, la modification d'inclusions par traitement au calcium, le contrôle de la surchauffe, l'homogénéisation thermique et de composition, menant au développement d'un domaine distinct de la métallurgie secondaire de l'acier, appelé métallurgie du tundish.

Le tundish de coulée continue a plusieurs rôles qui incluent : (i) un maillon critique dans la chaîne de qualité de l'aciérie, (ii) un raffineur continu et (iii) un transmetteur de signaux métallurgiques. Le point crucial du processus reste qu'un tundish non contrôlé devient un contaminateur plutôt qu'un raffineur. Il est indéniable que le tundish fait autant partie des pratiques d'acier pur que la poche avant lui et le moule après lui. Si la qualité construite dans l'acier dans les opérations de métallurgie primaire et secondaire est perdue dans le tundish, la capacité de produire un produit de qualité qui répond à l'application prévue dépend entièrement de la récupération dans le moule. C'est une tâche bien plus ardue, compte tenu du temps limité que l'acier réside dans les limites du moule, qui fournit une capacité finie de nettoyer l'acier au dernier stade avant la solidification complète.

De nombreux exploitants d'usines sidérurgiques ont étudié leurs tundish afin de maximiser les bénéfices du temps de résidence disponible pour la flottation et l'assimilation des produits de réaction de l'acier liquide dans la phase laitier. Ceux-ci peuvent être des produits de désoxydation, de réoxydation, de précipitation, d'émulsification et/ou d'emprisonnement de composants réfractaires dans l'acier liquide, et englobent ainsi à la fois les inclusions indigènes et exogènes. Basé sur un choix judicieux de conception de tundish, l'exploitation d'un tundish doit être orientée vers les points suivants :

• Promouvoir la flottation des inclusions en maximisant le temps de résidence
• Assurer l'assimilation des inclusions par un laitier captif et non corrosif
• Réduire les pertes thermiques et chimiques de l'acier liquide
• Minimiser les courts-circuits et les zones mortes
• Offrir à l'opérateur une conception optimale pour la qualité et le rendement.

L'élimination de la contamination par l'air et/ou les phases réfractaires et les technologies pour soutenir les pratiques d'acier pur font partie intégrante des opérations saines de tundish. Les critères de conception, la modélisation, les contrôles d'écoulement du tundish, les laitiers, le contrôle de température et les améliorations de propreté, ainsi que les opérations non stationnaires sont des aspects importants de la métallurgie du tundish. Une fois qu'une conception de tundish a été finalisée pour une application spécifique, les opérateurs sont en position de maximiser les améliorations de qualité lorsque le tundish est considéré et exploité comme un raffineur continu. L'opérateur doit être conscient que les écarts par rapport aux pratiques établies d'acier pur peuvent avoir des résultats désastreux.

Avec l'accent mis sur des taux de productivité plus élevés entraînés par des vitesses de coulée accrues, une plus grande disponibilité des machines et un rendement de produit amélioré, des tundish plus grands et plus profonds sont devenus la norme dans l'industrie. Cela a fourni un effet bénéfique sur la propreté de l'acier, car la séparation des inclusions est généralement facilitée dans un récipient de tundish plus haut et plus volumétrique, surtout si l'on prend soin que les inclusions ne soient pas physiquement entraînées à des niveaux inutilement profonds.

La poursuite de profondeurs d'exploitation du tundish plus grandes n'a pas seulement ajouté au temps de résidence du métal, mais a aussi fourni l'avantage additionnel de réduire le potentiel de tourbillonnage des laitiers de tundish, surtout pendant les conditions transitoires telles que les échanges de poches. Cela est vrai indépendamment du type de dispositifs de dosage tundish-moule utilisés, qui peuvent être de simples orifices de dosage, un contrôle par tige d'obturation, des mécanismes de clapet coulissant multi-plaques ou les vannes de contrôle de précision plus récemment introduites. Afin d'utiliser le tundish comme un récipient de raffinage, les critères suivants doivent être satisfaits :

• Élimination des sources de contamination de l'acier fondu, par exemple érosion réfractaire, réoxydation, entraînement de laitier de poche et émulsification de laitier de tundish.
• Promotion de la flottation et de la séparation des inclusions de l'acier liquide par le biais de dispositifs modificateurs d'écoulement (FMD), filtres, et laitier conçu.
• Introduction de technologies telles que le contrôle thermique, le transfert sans laitier et les systèmes de livraison de métal optimisés au moule.

Le rôle et les fonctions du tundish dans le processus de coulée continue et son importance dans la production de coulée d'acier pur sont résumés ci-dessous :

• Le tundish relie la poche avec le moule d'une machine de coulée continue. Il accepte l'acier liquide d'une poche et le livre aux moules de coulée continue avec une contamination minimale, uniformément et à un débit et une température désirés.
• Le tundish est un récipient revêtu de réfractaire consistant en une section d'entrée et une section de sortie et des dispositifs de contrôle d'écoulement, tels que des barrages et des déversoirs ou un déflecteur avec trous, le long de sa longueur. Un tundish peut avoir un couvercle revêtu de réfractaire, et a des ports de fond qui sont assemblés avec des clapets coulissants ou des tiges d'obturation à travers lesquels la fonte est coulée dans le moule.
• La réoxydation par l'air du flux d'acier liquide entrant est prévenue avec l'utilisation d'une longue buse immergée dans l'acier liquide dans le tundish ou par un tuyau gainé avec un flux de gaz argon.
• La longue buse et le tuyau gainé servent aussi à réduire l'émulsification du laitier dans l'acier liquide.
• Les dispositifs de contrôle d'écoulement dans le tundish augmentent le temps de résidence de l'acier liquide et aident à réduire les macro-inclusions provenant de la réoxydation par l'air et de l'émulsification du laitier. Au même moment, les amas d'inclusions d'alumine agglomérées sont réduits par la flottation de ces inclusions.