Prévention des fuites en coulée continue d'acier : causes, impacts et solutions

L'une des pannes catastrophiques les plus graves pouvant survenir lors de la coulée continue (CC) d'acier liquide est la fuite (breakout) d'acier liquide. Une fuite se produit lorsque l'enveloppe solidifiée du brame se rompt ou se déchire sous le moule. Plusieurs raisons peuvent provoquer la rupture de l'enveloppe solide du brame, permettant à l'acier encore liquide qu'elle contient de s'écouler et d'endommager l'équipement de la machine de CC.

Conséquences d'une fuite

Une fuite est l'incident le plus préjudiciable associé au processus de coulée continue. Cet incident n'est pas seulement très coûteux, mais constitue également un danger sérieux pour la sécurité des opérateurs de la machine de CC. Une fuite entraîne l'arrêt du brame et se traduit par une perte de temps de production ainsi qu'une baisse significative du rendement. Chaque fuite cause donc une perte économique directe importante. Pour remettre en état le brame de la machine de CC, il faut généralement un long délai d'intervention impliquant l'enlèvement de l'acier répandu à l'intérieur de l'équipement du brame et/ou le remplacement de la partie endommagée de l'équipement.

Facteurs influençant la solidification

Les fuites peuvent être évitées en réduisant la vitesse de coulée, offrant ainsi plus de temps de résidence dans le moule pour que l'acier se solidifie. Pour éviter une fuite, il est crucial de détecter à l'avance une solidification inadéquate de l'enveloppe d'acier avec un délai suffisant pour ralentir la machine de CC de manière appropriée. Plusieurs approches ont été adoptées pour prédire les fuites dans le processus de coulée continue.

Une fuite est normalement due à une paroi d'enveloppe d'acier trop mince pour supporter la colonne d'acier liquide au-dessus. Cette situation a plusieurs causes profondes souvent associées à la gestion du transfert de chaleur :

• Un débit d'eau de refroidissement inadéquat vers le moule de CC ou une perturbation du système de pulvérisation d'eau de refroidissement du brame peuvent entraîner une évacuation de chaleur insuffisante de l'acier liquide en solidification, provoquant un épaississement trop lent de l'enveloppe solide.
• Si le taux de traction de l'acier dans le brame est trop rapide, l'enveloppe n'aura pas le temps suffisant pour se solidifier jusqu'à l'épaisseur requise, même avec des pulvérisations de refroidissement améliorées.
• L'acier liquide entrant peut être trop chaud (surchauffe excessive) et la solidification finale peut se produire plus bas dans le brame, à un point plus tardif dans le moule que prévu. Si ce point se trouve sous les rouleaux de redressage, l'enveloppe peut se rompre en raison des contraintes appliquées pendant le redressage.

Irrégularités physiques et collage au moule

Une fuite peut également résulter d'irrégularités physiques ou de dommages à l'enveloppe d'acier se produisant dans le moule de CC pendant la période initiale de solidification. Une turbulence excessive dans le moule de CC peut provoquer un motif d'enveloppe irrégulier qui se développe anormalement. Elle peut également piéger des gouttelettes de laitier ou de l'écume dans l'enveloppe d'acier, réduisant ainsi la résistance de la paroi.

Un phénomène fréquent est le collage de l'enveloppe d'acier à la surface du moule de CC et sa déchirure. L'enveloppe d'acier contrainte par le moule de CC se rompt au niveau du ménisque, et l'acier liquide s'écoule immédiatement sous le moule. Ce type de fuite est appelé « fuite par collage » (sticker breakout). Les moules de CC modernes, dotés de plusieurs instruments et systèmes de contrôle informatisés, détectent généralement le collage dans le moule et ralentissent temporairement la vitesse de coulée pour laisser l'enveloppe se regelée et se réparer tant qu'elle est encore soutenue dans le moule. Si la déchirure se produit près de la sortie du moule ou est d'une gravité inattendue, l'enveloppe d'acier peut tout de même céder en une fuite une fois qu'elle émerge de la paroi du moule. Les fuites de type collage constituent le type majeur de fuite lors des opérations de coulée continue (75 à 80 % du total). L'une des raisons est une mauvaise lubrification dans le moule.

Autres causes de fuites

Fissures : Dans le cas de fuites dues aux fissures, les parties minces de l'enveloppe d'acier causées par le retard de solidification dans les angles du brame ou les marques d'oscillation se rompent immédiatement sous le moule de CC.

Piégeage d'écume : La partie mince de l'enveloppe d'acier causée par le retard de solidification dû au piégeage d'écume se rompt immédiatement sous le moule de CC.

Alors que le processus de coulée continue a progressé et mûri, la répartition des types de fuites a radicalement changé, passant de phénomènes liés au transfert de chaleur à la prédominance actuelle du collage au moule. Le pourcentage de fuites dues aux fissures varie généralement de 15 à 20 %, tandis que celui dû au piégeage de laitier et d'écume se situe autour de 5 %.

Détection et prévention

Bien que la surveillance continue de l'évacuation de chaleur du moule puisse fournir un moyen efficace de détecter le développement de conditions de fuite, le temps de réponse est normalement insuffisant pour indiquer un phénomène rapide de déchirure et de rupture de l'enveloppe d'acier.

Si l'acier liquide entrant est sévèrement surchauffé (très haute surchauffe), il est préférable d'arrêter la machine de CC plutôt que de risquer une fuite. De plus, un acier liquide contaminé au plomb (Pb) peut former un film mince entre la paroi du moule de CC et l'acier, inhibant l'évacuation de chaleur et la croissance de l'enveloppe d'acier, augmentant ainsi le risque de fuites.

La température de phase chaude du moule de CC est critique : il a été observé que lorsque la température de phase chaude dépasse 350 °C, le collage brame-cuivre se produit. De plus, dans les machines de CC à haute productivité d'aujourd'hui, l'échange routinier de poches et de buses immergées « à la volée » est une pratique normale. Ces opérations transitoires entraînent inévitablement des périodes instables de vitesses de coulée et de contrôle du niveau du moule. Pendant ces périodes, le processus de lubrification du moule est fortement sollicité et augmente la probabilité de collage.

Dans le cas de certains grades d'aciers (par exemple, les aciers à haute teneur en carbone) qui sont généralement coulés à des températures plus basses en raison de leurs températures de liquidus plus basses, le collage est souvent associé à la mauvaise performance des poudres de coulée. Cela est également vrai pour les grades d'aciers qui doivent être coulés à des vitesses plus basses pour des raisons métallurgiques.

Évolution des méthodes de détection

La tâche de détection et de prévention des fuites pendant l'opération de coulée continue est aussi ancienne que la technologie de coulée continue elle-même. Plusieurs méthodes de mesure ont été développées et utilisées : mesures de température, force de frottement, force de traction, vibrations et niveau de bruit structurale. Parmi ces méthodes, la mesure de température au moyen de thermocouples sur les plaques de cuivre du moule est la plus fiable et la méthode préférée.

Des systèmes de contrôle pour réduire efficacement la fréquence des fuites ont été développés en installant des instruments dans les moules de CC. Initialement, ces instrumentations étaient basées sur les températures différentielles de l'eau du moule. Cette méthode a ensuite été affinée en calculant la relation de transfert de chaleur du moule à l'aide des données d'eau du moule. Cependant, avec cette méthode, la détection était limitée aux fuites causées par un déclin progressif de l'évacuation de chaleur.

Plus tard, lorsque les fuites induites par collage ont augmenté et sont devenues prédominantes, des systèmes basés sur des techniques plus directes ont été développés. Dans ces techniques, le frottement moule/brame est mesuré avec des accéléromètres, des cellules de charge et des jauges de contrainte. Ces systèmes ont détecté avec succès certains incidents de collage, mais ils ont aussi donné de fausses alertes.

Les systèmes ont été modifiés pour une surveillance thermique localisée avec des capteurs de flux de chaleur (thermocouples intégrés). Ces systèmes se sont avérés être une méthode plus efficace pour détecter et prévenir les fuites par collage. On observe que la détection de collage basée sur les thermocouples, combinée à la détection du niveau du moule par courants de Foucault, offre une sécurité élevée contre les fuites même à des vitesses de coulée élevées.

Actuellement, l'accent a changé : il ne s'agit plus exclusivement de la détection précoce des fuites, mais aussi de la surveillance de la dissipation de chaleur et du contact entre l'enveloppe d'acier et le moule de CC. Il n'est donc pas rare que des moules de CC individuels soient équipés d'un grand nombre de thermocapteurs. Ce grand nombre de capteurs nécessite une quantité importante de câblage et de raccordement, et donc des investissements substantiels. Cela entraîne également des frais de maintenance considérables.