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La coulée continue La coulée continue
Ecole Polytechnique de TunisieEcole Polytechnique de Tunisie
procédés II - partie procédés II - partie 33
Année universitaire 2012 - 2013
Sidérurgie : procédés
2Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
Sidérurgie : flux des matières
3Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
Plan de la cinquième partie
I- COULEE EN LINGOT
II- COULEE CONTINUE - HISTORIQUE DE LA CC - DESCRIPTIF DU PROCÉDÉ DE CC - TYPES DES MACHINES CC - PRODUITS DE COULÉE CONTINUE - AVANTAGES DE LA CC - ACIER LIQUIDE POUR LA CC - OSCILLATION ET LUBRIFICATION - RÔLE DU RÉPARTITEUR - DÉFAUTS SUR LES PRODUITS DE CC
4Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
I- COULEE EN LINGOTS
5Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
Coulée en lingot (dans un moule)
6Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
On laissait l’acier liquide se solidifier sous forme d'immenses lingots de plusieurs tonnes (coulée en lingots).
- La coulée en lingot est simple mais nécessite de nombreuses étapes.
- Utilisée maintenant pour la fabrication d'alliages spéciaux en petite série.
Lingotières pour coulée de lingots de plusieurs tonnes.
Coulée en lingot (dans un moule)
7Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
Après démoulage, on élimine environ 5 à 20% du haut (il s'agit de l'acier qui contient le plus d'impuretés).
Lors de la solidification de l’acier, les dernières impuretés migrent vers la zone encore liquide.
8Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
Coupe transversale d’un lingotMigration des impuretés.
La migration des impuretés était surtout un avantage quand l'épuration de l'acier était moins évoluée.
9Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
Zones et défauts caractéristiques d'un lingot.
Coulée en lingot
10Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
-L'oxygène dissous va s'échapper lors de la solidification (acier effervescent).
- L'oxygène va former du monoxyde de carbone. Cela ne pose pas de problème pour la coulée en lingots .
- Le brassage va emmener les impuretés vers le haut et réduire la ségrégation (séparation des différents alliages lors de la solidification).
- Il se produit également un retassage pendant la solidification (réduction de volume et naissance de crevasses).
- Les bulles restantes et les crevasses sont écrasées lors du laminage à chaud et ne posent aucun problème.
Coulée de lingot
11Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
EXEMPLES DE LINGOTS
12Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
Lingot de 200 tonnes pour colonne de presse Coulée en source par PILSEN STEEL République Tchèque
Lingot d’acier - Dia 4,2 m 600 tonnes d’acier (5 poches de 120 t)
Pièce pour réacteurs nucléaires. par Japan Steel Works
Autres exemples
13Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
forgeage d’un lingot Grosse pièce moulée
Vannes en acier de 3 tonnes Dans les années ’80 Par ELFOULADH-SOFOMECA Client : USA
Villebrequin
14Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
1 : la poche amenant le métal2 : la quenouille régulant le débit d'acier liquide3 : la lingotière 7 : rouleaux s'opposant aux déformations dues à la pression hydrostatique générée par l’acier liquide
II- COULEE CONTINUE
80 à 90 % de l’acier de l’Europe de l’Ouest est produit par CC
Coulée continue
15Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
-Produit directement des produits semi-finis (en une seule étape)
-L'acier doit être de très bonne qualité, puisque les impuretés se retrouvent partout dans le produit, le rendant fragile. -L'acier effervescent ne peut pas être utilisé en coulée continue car il augmente les risques de percée de la coulée.
-L’acier nécessite d’être calmé (désoxydation par Al et Si)
Historique de la coulée continue
1840-1846 Idée assez ancienne (SELLERS, LANG, et BESSEMER) Mise en œuvre difficile
1930 Alliages non ferreux à basse températureAvec succès
1942-1945 Premiers essais de CC d’acier Système d’oscillation de la lingotière étant la base du succès (mis au point en 1933 par JUNGHANS)
1646-1950 Premières machines pilotes - Billettes1 ou 2 lignesBG, USA, Autriche, RFA
A partir 1950 Progrès rapides
1962-1963 Age d’or de la coulée continue
16Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
La coulée continue est un procédé astucieux qui consiste à : -Former en continue dans une lingotière ouverte aux deux extrémités et refroidie énergiquement à l’eau, une carapace de métal solide assez résistante pour contenir le métal liquide du cœur.
- Faire avancer cette carapace qui se détache de la lingotière grâce à la contraction du métal et en achever le refroidissement par aspersion d’eau.
Descriptif du procédé
17Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
Eau déminéralisée
jet d’acier
Lingotière
Piston de démarrage (mannequin)
Eau déminéralisée
Carapace(croûte solidifiée)
1
2
18
Descriptif du procédé
Piston de démarrage (mannequin)
Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
Eau déminéralisée
jet d’acier
Lingotière
Eau déminéralisée
3
Coupe à la longueur
19
Descriptif du procédé
Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
Machine verticale Machine verticale (hauteur = 30m)(hauteur = 30m)
Machine radiale Machine radiale (rayon de courbure constant)(rayon de courbure constant)
Machine curviligne Machine curviligne (rayon de courbure variable)(rayon de courbure variable)
Machine horizontale Machine horizontale (pente faible)(pente faible)
TYPES DE MACHINES DE CCTYPES DE MACHINES DE CC
20Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
Poche de coulée
Répartiteur (tundish)
H2O Lingotière (refroidissement primaire)
refroidissement secondaire
DégagementZone de coupe
21
Schéma d’une MCC continue verticale
Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
22
MCC radiale
Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
Rayon de courbure constant
<
23
MCC curviligne
Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
R = ∞ Rayon de courbure variable
R = 8 m
R =∞
24
Schéma d’une MCC horizontale
Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
Transformation des produits de coulée continue
25Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
RAB en barres
Fil en couronnes
Produits de coulée continue
- Billette : 100 mm à
100 mm 150 mm
150 mm
- Bloom : 180 – 240 mm à
180 – 240 mm max 600 mm
150-300 mmmax 350 mm
- Brame : 600 – 2200 mm (max 2700 mm)
150-300 mm
-Ebauches : servent à fabriquer de moyens et gros profilés
Nuances : la coulée continue est utilisée pour pratiquement toutes les nuances d’aciers au carbone et d’aciers alliés destinés aux usages courant et à la construction.
Sections :
26Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
Rails
• Meilleur rendement métallique (presque pas de chutage pour retassure)
• Lingots de petite section (directement adaptés aux laminoirs finisseurs)
• Économie d’énergie
• Économie de main-d’œuvre
• Meilleure qualité d’acier (moins de ségrégation et meilleure homogénéité)
• Cycle de fabrication plus court
• Meilleures conditions de travail
Avantages de la coulée continue
27Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
- La masse volumique varie avec la température (dilatation) , et la composition chimique (arrangement atomique et défauts).
- Pour les aciers au carbone ou faiblement alliés, elle est de l’ordre (par convention) de :
7,85 g/cm3 à la température ambiante
7 - 7,2 g/cm3 à T°fusion
Masse volumique de l’acier
28Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
Une formule empirique simplifiée permet de déterminer la température de fusion (Tliquidus) d’un acier :
Tliquidus = 1536,6 °C – [88,2 C + 5 Mn + 8 Si + 25 S + 30 P +
4 Ni + 1,5 Cr + 5 Cu + 18 Ti + 3,4 Al + 2 Mo + 2 Va + 8,7 Nb + 1,3 Co + 0,7 W] -C, Mn, …W : teneurs exprimées en % massique-formule applicable au aciers au carbone, aux aciers faiblement ou moyennement alliés et pour des teneurs usuelles.
Validité des coefficients jusqu’à
C 4 % Ti 15 %Mn 85 % V 30 % Si 20 % Nb 20 %Cr 25 % Co 30 %Mo 35 % W 15 %
Température de fusion de l’acier
29Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
Surchauffe : C’est la différence entre la température de l’acier dans le répartiteur et la température du liquidus.
∆T = T répartiteur – T liquidus
T liquidus = 1536 - 80,5 Céq.
T solidus = 1536 - 410 Céq. quand Céq. < 0,1
T solidus = 1495 quand 0,1 < Céq. < 0,21
T solidus = 1536 - 184 Céq. quand Céq. > 0,21
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Surchauffe de l’acier liquide pour CC
Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
- La surchauffe idéale pour la coulée continue est de 20 – 35°C.
- Une surchauffe faible (10 – 20°C) donne
• mauvaise qualité de peau• bouchage des busettes.
- Une surchauffe élevée (30 – 60°C) donne
• Meilleure décantation des inclusions (métal plus propre)
• Meilleur état de surface•Moins de risque de bouchage des busettes• Risques de percées• Structure dendritique défavorable• Porosité axiale plus importante• Macro-ségrégation
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Acier liquide pour la CC - surchauffe
Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
TempsCoulée en poche
Immersion d’un lingot pendant un laps de temps
Température de coulée
Tcp
TV
TbTcp : Température de coulée en poche
T b : Température du bain avant coulée
T v : Température visée
Maîtrise de la surchauffe
32Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
Longueur métallurgique
- C’est la distance entre le niveau du métal dans la lingotière et le point où la dernière goutte de liquide est solidifiée (solidification à cœur).
-Elle dépend de la section de la lingotière et de la vitesse d’extraction du produit.
- Pour les billettes :
Lv = 0,024 . a2 . V
a (cm) V (m/mn)
Lv
33Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
Oscillation de la lingotière et lubrification
- Les oscillations créent un mouvement relatif de la file d’acier avec la lingotière pour éviter tout collage.
- Le décollement de l’acier est facilité par l’adjonction de lubrifiants (fondants ou huile) au niveau du ménisque de l’acier.
34Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
Rôle du répartiteur
- En plus de la distribution de l’acier aux différentes lingotières (plusieurs lignes), le répartiteur
(TUNDISH) remplit aussi une fonction essentielle,
à savoir l’abaissement de la pression ferrostatique au niveau de la lingotière.
- Dans certains cas le répartiteur peut être
équipé de barrages filtrants : chicanes réfractaires pour la rétention des inclusions.
Répartiteur (tundish)Pression ferrostatique :
P = P0 + ρ . g . h (Pa) (105 Pa) ( 7,2g/cm3) (9,81m/s2) (mm)
105 Pa = 1 bar
35Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
- Le répartiteur qui sert de réservoir tampon peut être équipé d’obturateur permettant de réguler le débit.
- La propreté de l’acier dépend de sa teneur en O2 dissous.
- Il convient de réaliser une désoxydation par précipitation (par Si et Al).
- Cette désoxydation consiste en la formation d’inclusions d’oxydes et leur séparation du métal par :
• Brassage en poche
• Chicanes (répartiteur à barrages filtrants)
• Géométrie des busettes
• Brassage électromagnétique en lingotières
Propreté du l’acier
36Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
- La plupart des défauts sont dus aux conditions de coulage.
- Les défauts peuvent être internes ou externes.
Défauts sur les produits de coulée continue
- Exemples :
* Crique longitudinale :
* Crique longitudinale de coin :
Causes :•Refroidissement irrégulier de la lingotière•Température élevée•S et P élevé
37Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
* Crique transversale :
Causes :•Refroidissement excessif de la surface• Accrochage du produit dans la lingotière (dans les angles)• Lingotière• Lubrification insuffisante
Causes :• Répartiteur sale• Niveau d’acier dans le répartiteur bas
* Incrustation de laitier :
38
Défauts sur les produits de coulée continue
Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
* Interruption de coulée (ressoudure) :
* Fissure axiale :
39
Défauts sur les produits de coulée continue
Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
Exemple d’application de la CCMétal 1
Métal 2
40Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013
La température de fusion de M2 doit être < à celle de M1ex: Acier (M1) /Cuivre (M2)
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BIBLIOGRAPHIE
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Nationale Supérieure de Chimie de Paris, Université Pierre et Marie Curie, Paris VI , 1980•Cours de Sidérurgie, P. BELIAKOV and O.A.KUGARENKO, Formation pour
ingénieurs aciéristes, Centre de formation de zaporozhye, Ukraine, programme UNIDO, 1987•Les cahiers du CESSID, l’aciérie électrique, C. BARBAZANGES et M. POCHERAY,
1965•Rapport de la mission Japonaise à ELFOULADH, CODOSTEEL, 1977
•Collection Techniques de l’ingénieur, M7, Sidérurgie•Electric arc furnace steelmaging, Volume I, Désign, opération and practice, edited by
CLARENCE E. SIMS, New York-London, 1962•Electric arc furnace steelmaging, Volume II, Theory and fundamentals, edited by
CLARENCE E. SIMS, New York-London, 1963•The international steel trade, Peter M FISH, Cambridge, England, 1995
•Blast furnace pig iron production, V..N. KHOMICH and P.D. TOPORENKO, summary of lectures, UNIDO training programme, zaporzhye, 1987
•Bthe practice of steel teeming and ingot formation processes, K.P. UDICHEV and O.I. LEGKOSTUP, summary of lectures, UNIDO training programme, zaporzhye, 1987
•Production of slabs, V.V. LASHIN, summary of lectures, UNIDO training programme, zaporzhye, 1987
•Production of steel in oxygen converters, V.I. BAPTISMANSKY, summary of lectures , UNIDO training programme, zaporzhye, 1987
•Desulfurization of hot metal and steel , F. CHTIOUI and S. KAYALI, technical report, UNIDO training programme, zaporzhye, 1987
•Cours enrichi par des données prises dans des sites internet
Sidérurgie - Coulée continue - Fathi CHTIOUI - 2013