Quelles sont les principales considérations dans le processus de coulée continue des alliages métalliques ?

La coulée continue est un processus industriel fondamental dans la production d'acier et d'autres alliages métalliques, impliquant des phénomènes complexes de solidification et de ségrégation qui affectent directement la qualité du produit final. Ce processus est crucial pour comprendre la formation de structures internes, telles que la porosité et la ségrégation, qui peuvent sérieusement compromettre la performance des matériaux. Plusieurs mécanismes influencent ces phénomènes, y compris les gradients de température, les variations de vitesse de refroidissement et les interactions entre le métal en fusion et les outils de coulée.

Les recherches sur le comportement de l'alliage pendant la solidification, telles que celles de Lesoult et Sella (1988), ont démontré que le métal liquide dans la zone de cristallisation partielle (zone "mushy") se déplace sous l’effet de la pression et de la température. Cela conduit à une ségrégation encore plus marquée, notamment près de la ligne centrale des pièces coulées. Cette zone de cristallisation partielle est souvent le point de départ de la formation de porosité interne, phénomène largement étudié par des auteurs comme Monroe (2005), qui souligne que les variations de température entre les différentes zones du lingot peuvent induire des tensions internes. Ces tensions, lorsqu’elles sont mal gérées, peuvent engendrer des fissures internes difficiles à détecter.

Outre les technologies directes de réduction douce et les ajustements de processus, il existe également des méthodologies de modélisation thermique et mécanique avancée qui permettent de prédire et de visualiser la formation de ces défauts. Les outils numériques, comme ceux utilisés par Ji et al. (2016), permettent une simulation détaillée des effets thermomécaniques pendant le processus de coulée. En intégrant des variables telles que la vitesse de refroidissement et les contraintes exercées sur le métal, ces modèles aident à ajuster les paramètres de production afin de minimiser les risques de formation de porosité et de ségrégation.

En plus des techniques de contrôle direct et des modélisations avancées, il est essentiel de comprendre que la qualité du produit fini dépend également de la maintenance et de la précision des équipements de coulée. Les conditions opératoires dans le moule, comme la régulation de la vitesse de coulée et la gestion de la température de l'outil de coulée, jouent un rôle crucial dans la gestion de la solidification. L'optimisation de ces facteurs permet de créer des conditions favorables pour un refroidissement homogène et une réduction de la formation de défauts internes.

Le processus de coulée continue est donc un domaine complexe où la connaissance de la métallurgie, des phénomènes thermiques et des technologies de simulation numérique doit être combinée pour obtenir des produits de qualité. Les avancées dans ces domaines permettent de répondre aux défis posés par la ségrégation et la porosité, garantissant ainsi la production d’aciers et d’alliages métalliques qui satisfont aux exigences les plus strictes de l’industrie. Le progrès dans la compréhension des phénomènes de ségrégation, d’interactions thermomécaniques et de réduction douce ouvre la voie à une amélioration continue des performances des produits métallurgiques coulés.

Comportement thermique et mécanique du processus de coulée continue des dalles épaisses et larges : Modélisation et Analyse

Le modèle thermique initial repose sur la géométrie du moule et la disposition des rouleaux. Un maillage tridimensionnel est utilisé pour simuler le flux thermique, tandis que les propriétés physiques de l’acier micro-légéré Q345E, telles que la conductivité thermique, la densité et l’enthalpie, sont prises en compte. Ces données permettent d’évaluer le refroidissement à travers les différentes zones de refroidissement, du refroidissement primaire au refroidissement par air à la sortie du moule. Le processus de refroidissement est divisé en plusieurs zones (zones 1 à 8), chaque zone ayant des longueurs et des positions spécifiques, allant du début du moulage jusqu’à la sortie du lingot.

Le modèle inclut également un suivi du comportement de déformation des sections de la dalle pendant la réduction, notamment dans les zones de flexion et de redressement. Lors de la flexion, par exemple, la déformation est plus importante à l'extrémité de la dalle, où les forces de flexion sont les plus fortes, créant ainsi des variations de l'épaisseur et de la température dans différentes parties de la dalle. Les zones de contact avec les rouleaux, comme celles de redressement, montrent des pics de stress et de déformation, en particulier sur l'arc extérieur de la dalle.

La validation du modèle est réalisée en comparant les valeurs calculées de température de surface et d’épaisseur de la coque avec les mesures expérimentales. Les résultats indiquent que les écarts relatifs entre les valeurs calculées et mesurées sont faibles, confirmant la précision du modèle. De plus, les forces de réduction nécessaires à la fin de la solidification, en fonction du processus de réduction dans les secteurs spécifiques, sont également validées par une comparaison des résultats expérimentaux et modélisés. Les erreurs relatives dans ces calculs sont minimes, ce qui montre la fiabilité du modèle pour simuler les conditions réelles du processus de coulée continue.

Il est essentiel de noter que le processus de coulée continue est fortement influencé par la vitesse de coulée, qui dans ce cas est de 0,80 m/min, ainsi que par la réduction progressive de la section de la dalle. Chaque zone de réduction présente des exigences spécifiques en matière de pression et de déformation. Par exemple, les sections situées près de l’entrée du moule subissent des réductions plus faibles (1 mm), tandis que celles vers la fin de la coulée peuvent atteindre jusqu'à 5 mm de réduction, ce qui influe directement sur la qualité du produit final.

Enfin, au-delà des aspects techniques de la modélisation thermique et mécanique, il est important de comprendre que le contrôle précis de la température et des forces de réduction est crucial pour éviter la formation de fissures pendant la solidification. En effet, des gradients thermiques trop importants ou une réduction excessive peuvent entraîner des défauts dans la structure du matériau, compromettant ainsi l’intégrité de la dalle.

Comment comprendre les caractéristiques de la recristallisation statique et métadynamique dans les brames de coulée continue ?

Les expériences sur la recristallisation statique et métadynamique dans les brames de coulée continue se basent sur une modélisation mathématique des processus physiques sous conditions de déformation. L’étude des indices de recristallisation repose sur la méthode de régression linéaire appliquée aux équations qui décrivent l'évolution des fractions de volume de recristallisation au cours des processus de déformation thermique. Cette approche est cruciale pour comprendre comment les paramètres de déformation influencent la microstructure de l’acier pendant et après la coulée.

L’équation de la recristallisation statique, obtenue par combinaison d’équations empiriques, permet de calculer l’indice d’Avrami $n$ pour différentes conditions de déformation. Cette relation est formulée comme suit :

Les expérimentations sur le temps de recristallisation dynamique, réalisées par compression isotherme sur des échantillons d’acier Q345E, montrent une relation entre la déformation, la température et le temps de maintien entre passes. Ces expériences mettent en évidence que la recristallisation dynamique peut être modifiée par l’interaction de plusieurs paramètres, y compris la taille des grains d’austénite initiale et le taux de déformation. En utilisant des méthodes de régression non linéaire, on peut ajuster des coefficients tels que $\omega_1, \omega_2, \omega_3, \omega_4, \omega_5$ afin d’obtenir des prédictions précises des volumes de recristallisation à des températures et taux de déformation donnés.

Dans les essais de compression à deux passes, le ramollissement observé après la première passe (due à la recristallisation métadynamique) influence la contrainte dans la deuxième passe. Plus précisément, la contrainte de la deuxième passe est inférieure à celle de la première, ce qui est dû à l’activation de la recristallisation métadynamique. En utilisant une approche basée sur l'écart de contrainte à 0,2 % de déformation, on peut déterminer la fraction de ramollissement MDRX, et à partir de cette fraction, la quantité de recristallisation métadynamique. Cette relation est décrite par l'équation suivante :
$X_{MDRX} = \frac{f_s}{1 - 0.2}$

L'évolution de la microstructure sous différents paramètres de déformation peut être visualisée à l’aide de microscopes optiques après la corrosion chimique des échantillons, et la taille des grains d’austénite peut être mesurée par la méthode des intersections de ligne. Les résultats expérimentaux montrent que, sous une déformation à température élevée et un maintien de temps intermédiaire entre les passes, la taille des grains et la fraction de recristallisation métadynamique changent de manière significative. Ces observations offrent des informations précieuses pour l’optimisation des paramètres de processus dans la production de brames d’acier de haute qualité.

Les variations de la structure interne sous des conditions de déformation spécifiques révèlent l'importance de maîtriser les paramètres de température, de temps et de taux de déformation pour obtenir une microstructure homogène et minimiser les défauts potentiels dans l’acier. Un contrôle précis de la recristallisation et du ramollissement métadynamique permet d’améliorer les propriétés mécaniques des matériaux, en particulier leur résistance et leur ductilité.

Comment maîtriser efficacement la réduction à l’extrémité de solidification dans la coulée continue des brames épaisses et blooms ?

La maîtrise de la réduction à l’extrémité de solidification dans le procédé de coulée continue constitue l’un des enjeux technologiques majeurs pour améliorer la qualité interne des produits sidérurgiques massifs, en particulier les brames larges et épaisses ainsi que les blooms. Cette technologie repose sur une compréhension fine de la dynamique de solidification, du comportement de déformation de l'enveloppe solide du produit en cours de formation, et des mécanismes de ségrégation centrée qui en découlent.

Pour répondre à cette problématique, une technologie de réduction lourde en deux étapes a été conçue. Ce procédé repose sur une action ciblée sur les zones sensibles à la ségrégation, à travers un dispositif de compression contrôlée durant la phase finale de solidification. Cette réduction est appliquée d’abord au stade de la pâte semi-solide, lorsque la mobilité résiduelle du liquide permet encore une redistribution partielle des éléments. L’objectif est ici de perturber l’enrichissement accéléré en éléments ségrégants et de comprimer la structure biphasée avant que la rigidification complète n’empêche toute correction volumique interne.

La seconde étape intervient juste après la fin de la solidification, dans un régime de solidus complet, alors que le cœur de la brame conserve une température élevée et demeure mécaniquement plus ductile que la périphérie déjà refroidie. La réduction post-solidification permet ici de refermer les porosités formées précédemment, d’induire un effet de soudage interne des vides, et de réduire de manière significative la ségrégation résiduelle.

Ce double régime de réduction s’appuie sur un appareillage de haute précision : capteurs de suivi thermique en temps réel, systèmes de calcul en ligne du profil de solidification à partir de la distribution non uniforme des solutés, actionneurs hydrauliques à réponse rapide et contrôle dynamique du couple de traction. L’ensemble permet de cibler avec exactitude la zone active de réduction, de doser la pression appliquée en fonction de la morphologie locale de l’interface solidifiée, et d’éviter les risques critiques de fissuration.

Pour les blooms, une technologie complémentaire a été introduite : un système de calibrage en ligne de l’écart inter-rouleaux dans la machine de redressage, basé sur les résultats du calcul de transfert thermique en fonction de l’épaisseur de la section. Cette adaptation fine aux écarts géométriques du produit permet de maintenir une pression homogène sur l’ensemble de la section, sans générer de points de concentration de contrainte.

Le passage d’un régime de réduction ponctuelle à une approche intégrée “réduction en point + réduction continue” permet en outre de combiner les avantages de la haute déformation localisée avec une compensation progressive des vides formés lors du retrait différentiel entre cœur et enveloppe.

Le tout repose sur une modélisation avancée de la cinétique de recristallisation statique post-déformation, intégrée aux systèmes de contrôle en ligne, et ajustée en fonction du comportement spécifique des aciers microalliés à éléments tels que le vanadium, le molybdène ou le niobium. Ces éléments influencent fortement la dynamique de recristallisation ainsi que les phénomènes de renforcement par solution solide, ce qui impose une calibration précise des paramètres de traitement thermique et de réduction.