Coulée continue

Schéma d'une coulée continue moderne.
On y voit la poche (1) amenant le métal dans le repartiteur (2), la quenouille (5) régulant le débit d'acier liquide arrivant dans la lingotière (3) et les rouleaux (7) s'opposant aux déformations dues à la pression hydrostatique générée par le métal liquide

La coulée continue est un procédé de solidification du métal en fusion. Il consiste à remplir de métal liquide un moule violemment refroidi (la lingotière), puis à extraire lentement le produit du moule alors que celui-ci est, dans certains cas, encore liquide à cœur. L'extraction du produit solidifié est compensée par un apport de métal liquide chaud : le métal liquide entre d'un côté du moule pendant que de l'autre côté en sort un produit solide.

HistoireModifier

Métaux non ferreuxModifier

Les avantages de la coulée continue, évidents, ont fait que les tentatives pour couler le métal en continu se sont multipliées depuis 1840, date à laquelle G.E. Sellers dépose un brevet relatif à la coulée continue de tuyaux de plomb. Ces recherches, qui ont été notables pendant l'entre-deux-guerres, ont rapidement abouti pour les métaux non ferreux, alors qu'il a fallu attendre les années 1970 pour que la coulée continue devienne un procédé industriel dans la sidérurgie[1].

SidérurgieModifier

 
Illustration du brevet de Bessemer

Dès 1857, Henry Bessemer, inventeur fécond, dépose un brevet relatif à la coulée d'acier entre deux cylindres contrarotatifs et vigoureusement refroidis. L'idée, simple en apparence, ne donne cependant lieu à aucun développement : la technologie de l'époque ne propose rien pour garantir l'étanchéité latérale aux cylindres, aucune régulation ne peut gérer un système aussi rapide, les contraintes thermiques sont énormes… De fait, les premiers démonstrateurs de coulée directe de bande mince à partir d'acier liquide n'apparaissent qu'à la fin du XXe siècle et restent limités à des aciers spécifiques[2].

Pour autant, l’intérêt du procédé est évident et de multiplies recherches sont menées. L'entreprise américaine Benjamin Atha Company produit ainsi du fil d'acier obtenu par coulée continue de 1890 à 1910. Mais jusqu'en 1950, la coulée continue ne se développe que pour les métaux non ferreux, notamment l'aluminium. La première installation industrielle occidentale de coulée continue d'aciers alliés (en) (plus résistants à haute température[3]) est démarrée par le canadien Atlas Steel en 1954[4].

Après de premiers essais dans les années 1940, accompagnés d'une étude sérieuse sur la faisabilité et de l'avenir du procédé, les premières coulées industrielles d'acier sont ainsi démarrées dans les années 1950. La solution consiste alors à couler dans un moule refroidi, la lingotière, dont le fond est fermé par le métal solidifié. La lente extraction de ce métal est compensée de manière continue par le remplissage du moule. Le risque de soudage de la peau d'acier solidifiée sur la lingotière est traitée par une oscillation verticale permanente de la lingotière et le développement de laitiers synthétiques lubrifiant le contact.

 
Expansion du procédé dans la sidérurgie

La production commerciale d'acier non allié avec la coulée continue commence au Japon en 1955[5]. En 1959, 25 usines dans 12 pays exploitent déjà la coulée continue d'acier, au stade des essais ou de la production industrielle[4]. En 1961, l'Union Soviétique a déjà mis en service 10 installations (en comptant les démonstrateurs et les outils de recherches) et estime que le choix d'investir dans cette technologie au lieu des méthodes classiques est remboursé dans l'année[6]. Le procédé n'est adopté aux États-Unis qu'en 1963[5]. À cette époque, exceptées les brames minces, tous les semi-produits sidérurgiques y sont déjà testés avec succès : billettes, brames, blooms, os de chien. Les coulées sont généralement droites, mais quelques coulées courbes sont opérationnelles. La régulation de niveau dans la lingotière se fait alors en jouant sur la vitesse d'extraction, mais la mise en service de machines à plusieurs files rend incontournable la mise au point d'une régulation du débit de remplissage en acier liquide[7].

La coulée continue se généralise en Europe pendant les années 1970, plus lentement aux États-Unis et en URSS.

Intérêts et problématiques liés au procédéModifier

AvantagesModifier

L'industrialisation de la construction métallique n'a pu se faire qu'à l'aide de produits ou demi-produits standardisés, sinon similaires. Parmi eux les fils, les barres, les tôles ou les poutrelles sont débités à partir d'un produit de grande longueur issu des laminoirs. Pour les industriels les avantages constatés sont évidents :

  • processus continu et automatisable, économe en main-d'œuvre et plus facile à planifier que le remplissage, la solidification et le démoulage de centaines de lingots ;
  • obtention directe d'un produit à la bonne section : les étapes de slabing et de blomming, qui transforment le lingot en un demi-produit (brame, bloom ou billette) apte au laminage, disparaissent. On peut alors supprimer les laminoirs dédiés à cette transformation (impliquant des frais main-d'œuvre, de mise au mille, d'entretien…), et surtout les « fours pit », dont la consommation en énergie devient insupportable après les chocs pétroliers ;
  • mise au mille de l'opération de coulée très inférieure, due à l'absence de masselotte. On obtient des valeurs typiques inférieures à 1 020, contre 1 200[8], voire 1 400 pour les aciers inoxydables[5], avec une production par coulée de lingots. Ce point amène des économies en cascade car il se répercute sur tout l'amont de la filière[note 1]

ProblématiquesModifier

Les avantages de la coulée continue sont essentiellement liés à la productivité de la machine. Il s'avère par contre que le procédé est beaucoup moins adapté à l'obtention d'alliages complexes, ou à solidification contrôlée.

Au cours des années 1980-1990, un important effort de recherche adapte la production de la quasi-totalité[11] des aciers à la coulée continue, quelles que soient la composition de l'alliage et les exigences métallurgiques du client final. Il faut en effet développer d'autres métallurgies :

  • l'oxygène apporté par le convertisseur et dissous dans l'acier liquide doit être supprimé avant la solidification. Le traitement de l'acier liquide doit alors systématiquement intégrer l'étape de calmage, qui consiste à consommer cet oxygène dissous en le combinant sous la forme oxyde. Cette opération est coûteuse et dégrade la propreté de l'acier.
  • les contraintes thermiques et mécaniques énormes auxquelles est soumise la peau solidifiée peuvent générer des criques. Si l'une d'elles se propage jusqu'au cœur encore liquide, le métal en fusion s'échappe et coule dans la machine : c'est la « percée », incident redouté par l'exploitant.
  • l'acier liquide, en chutant dans la lingotière, entretient des turbulences qui empêchent la flottation des oxydes ou une solidification fine et équiaxe. Des brasseurs électromagnétiques (essentiellement sur les produits longs) ou des lingotières verticales suivies d'une partie courbe (essentiellement sur les produits plats) permettent d'améliorer la qualité.

Parallèlement aux développements métallurgiques, la fiabilité de cet outil extrêmement complexe continue d'être améliorée grâce à une automatisation de plus en plus poussée.

La productivité reste, comme dans toute industrie lourde, un thème de recherche permanent. La coulée continue présente en effet, le handicap d'avoir une productivité généralement plus faible que les outils amont (haut fourneau et convertisseur) et aval (train continu à chaud) : il est donc fréquent de trouver plusieurs installations de coulée continue dans une seule aciérie[1].

DéveloppementsModifier

Avec les progrès des automatismes et des matériaux, l'idée initiale de Bessemer de la coulée entre cylindres a fait l'objet de nombreuses recherches dans les années 1980 et 1990. Si le procédé a rapidement été industrialisé avec l'aluminium, son extension à la sidérurgie n'a pas encore débouché de manière industrielle[12], malgré une recherche soutenue et des résultats concrets[13].

Notes et référencesModifier

  • Notes
  1. La coulée continue va limiter la quantité de ferrailles disponibles pour le recyclage interne à l'aciérie[9]. Mais l'équilibre entre les quantités de ferrailles disponibles et de fonte nécessaire au convertisseur ne va pas évoluer notablement car, à cette époque, l'évolution du haut fourneau a abaissé le potentiel thermique de la fonte en même temps que la disponibilité des ferrailles[10].
  • Références
  1. a et b Daniel Rivet, L'acier et l'industrie sidérurgique, Paris, Presses universitaires de France, coll. « Que sais-je? » (no 561), , 128 p. (ISBN 2-13-035632-X), p. 42-44
  2. (en) A. Mascanzoni, J-M. Damasse & G. Hohenbichler, « Estimation du développement de la coulée entre cylindres », allbusiness.com, (consulté le 30 avril 10)
  3. Sutton 1973, p. 126.
  4. a et b (en) Antony C. Sutton, Western Technology and Soviet Economic Development 1945 to 1965, Hoover Institution Press, (lire en ligne [PDF]), p. 124
  5. a b et c (en) Robert A. Whitman, Mineral yearbook, (lire en ligne [PDF]), p. 652
  6. Sutton 1973, p. 127.
  7. (en) Robert A. Whitman, Mineral yearbook, (lire en ligne [PDF]), p. 617
  8. Jean Duflot, Encyclopædia Universalis (lire en ligne), « Sidérurgie »
  9. (en) B. V. R. Raja & N. Pal, « Indian Sponge Iron Industry-Status, Potential & Prospects », IIM METAL NEWS,
  10. Olivier C. A. Bisanti, « histoire du four électrique 2 : la carrière industrielle », soleildacier.com,
  11. (en) « Historical Review of Continuous Casting », MetalPass, (consulté le 30 avril 10)
  12. Jean-Pierre Birat, « Coulée continue de bandes d’acier », Techniques de l'ingénieur, no 2507,‎ (lire en ligne)
  13. « Myosotis supprime le laminage à chaud », L'Usine nouvelle, no 2507,‎ (lire en ligne)

Voir aussiModifier

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Articles connexesModifier

Liens externesModifier