Quelle est l'importance de la conception des rouleaux convexes à courbure graduée pour la réduction de l'âme des blooms?

Dans la conception des rouleaux convexes utilisés pour la réduction à l'extrémité de solidification des blooms, plusieurs paramètres clés jouent un rôle crucial pour assurer une réduction uniforme et efficace. Le paramètre principal est la longueur de la zone de courbure graduée (Lgc), qui influe directement sur la déformation et la qualité de la surface du bloom. Lorsque cette longueur est augmentée, la déformation maximale équivalente sur la surface du bloom diminue, ce qui suggère que l'allongement de cette zone permet de répartir de manière plus homogène la pression exercée sur le matériau. En revanche, si cette longueur est trop courte, la pression concentrée pourrait entraîner des irrégularités sur la surface du bloom. La longueur optimale de cette zone a été déterminée à 80 mm, après des simulations approfondies, comme le montre la figure 7.44.

L'autre paramètre essentiel est la longueur de la région de la plateforme convexe (Lcp). En augmentant cette longueur, l'effet de réduction dans la zone de porosité du bloom augmente progressivement. Cependant, il existe une limite au-delà de laquelle l'effet de réduction devient de moins en moins significatif. Lorsque Lcp dépasse 180 mm, l’augmentation de la réduction devient marginale. Ainsi, il est conseillé de maintenir cette longueur en dessous de 200 mm pour maximiser l'efficacité tout en maintenant une pression contrôlée. À partir de 201 mm, la pression maximale atteint un seuil de 1690 kN, ce qui est un facteur limitant pour les capacités des cylindres hydrauliques utilisés. Ce paramètre est essentiel pour maintenir l'intégrité du matériau tout en optimisant la réduction dans la zone de porosité.

En parallèle, la hauteur de la plateforme convexe (Hcp) joue également un rôle dans la réduction. Bien que ce paramètre ait un effet relativement faible sur la réduction dans la zone de porosité, il influe néanmoins sur la déformation de la surface interne du bloom. Les tests ont montré que la hauteur optimale est d'environ 30 mm, car au-delà de cette valeur, la pression exercée par le rouleau devient excessive, entraînant une déformation indésirable. Ce phénomène doit être pris en compte pour éviter des défauts structurels dans le bloom.

Une fois ces paramètres définis, il est crucial de valider leur applicabilité en conditions réelles. Les simulations montrent que lorsque la réduction atteint 15 mm, la distribution de la réduction dans la zone de porosité suit la tendance attendue, et la réduction en épaisseur et en largeur diminue lorsque Lcp dépasse 200 mm. Ce résultat confirme que les paramètres calculés pour les rouleaux convexes sont applicables et optimaux pour une production efficace.

Enfin, la structure optimale d'un rouleau convexe CSC, en fonction des résultats des simulations, présente les paramètres suivants pour un bloom en acier de section 360 mm × 450 mm : une longueur de la région de la plateforme convexe de 200 mm, une hauteur de la région convexe de 30 mm, une longueur de la zone de courbure graduée de 80 mm, et un diamètre de la zone périphérique de 450 mm. Cette conception permet d'optimiser la réduction tout en maintenant une pression de travail stable et efficace, assurant ainsi une qualité optimale du bloom.

La technologie de réduction à l'extrémité de solidification, qu'elle soit légère ou lourde, est devenue indispensable pour la production moderne de blooms et de lingots de grande section. L'équipement et les réglages des rouleaux convexes doivent être adaptés non seulement aux spécifications de l'acier traité, mais aussi aux besoins de réduction et de densification du matériau pour répondre aux exigences des produits en acier de haute valeur ajoutée. Le développement de ces technologies, notamment la réduction à l'extrémité de solidification, permet de produire des blooms et des lingots avec une homogénéité et une densité accrues, ce qui est indispensable pour la production d'aciers de qualité supérieure, notamment pour les alliages à haute teneur en carbone ou pour les sections épaisses utilisées dans des applications exigeantes.

Quel rôle joue la réduction dynamique dans la technologie de coulée continue et comment l'optimiser ?

La technique de réduction douce a été proposée pour la première fois par la Nippon Steel Corporation (NSC) du Japon à la fin des années 1970. À la décennie suivante, Voestalpine AG (VAI) en Autriche a mis en œuvre la réduction dynamique douce, impliquant un suivi en temps réel de la position du noyau liquide dans la coulée continue et l'ajustement dynamique de l'écart entre deux rouleaux de soutien. Cependant, les comportements observés à la fin de la solidification, tels que la déformation de la coquille dans la zone biphasique, le transfert de chaleur à l'interface et les transports macroscopiques et microscopiques des solutés pendant le processus de réduction douce, sont extrêmement complexes, et il n'existe actuellement pas de recherche théorique systématique à ce sujet. Par conséquent, le processus de réduction peut uniquement être ajusté et optimisé à travers des essais industriels répétés. Cela engendre une consommation importante de ressources humaines et matérielles, sans offrir de références significatives pour le développement des processus de réduction douce destinés aux nouvelles machines de coulée continue.

Depuis 2003, l'Université du Nord-Est (NEU) en Chine est à l'avant-garde des recherches sur la théorie du processus de réduction douce et son application industrielle. Grâce à des méthodes de simulation numérique, de simulation physique et d'expérimentations sur site, le NEU a étudié et éclairci les comportements métallurgiques pendant le processus de coulée continue, tels que le transfert de chaleur de solidification, la réduction de l'écart, la déformation par renflement, l'évolution de la microstructure et la ségrégation des solutés. Le NEU a proposé des méthodes de calcul pour la réduction et la zone de réduction dans le processus de réduction dynamique douce, développant un modèle de contrôle en ligne pour surmonter les limites des essais industriels. Cette technologie a été appliquée dans plus de dix entreprises, dont Baosteel, Panzhihua Steel, Xingcheng Special Steel, Xianggang Steel et Liancheng Steel, contribuant ainsi à l'innovation et à l'itération de la technologie de coulée continue.

Cependant, avec l'augmentation de la section transversale des billettes/blooms/plaques de coulée continue, les conditions de refroidissement internes se détériorent de manière marquée. La microstructure est principalement caractérisée par des dendrites coloniales, tandis que les grains équiaxes deviennent plus gros. Le métal en fusion résiduel, riche en éléments de ségrégation des solutés parmi les dendrites, a tendance à se déplacer vers un état d'équilibre. Ce phénomène exacerbe les défauts au sein des billettes/blooms/plaques, tels que la ségrégation, la porosité et la contraction. De plus, l'effet dissipatif de la coquille solidifiée sur la quantité de réduction augmente de manière exponentielle avec l'épaisseur de celle-ci. La déformation conventionnelle par réduction douce ne parvient plus à pénétrer dans le noyau des billettes/blooms/plaques de grande section. En conséquence, l'efficacité du processus connaît une diminution significative. Pour remédier à ce problème pratique, le NEU a développé la technologie de réduction dynamique lourde à la fin de la solidification pour les billettes/blooms de coulée continue de grande section.

Les premières machines de coulée continue équipées de la fonction de réduction dynamique lourde pour les blooms et les plaques larges et épaisses ont été mises en production avec succès chez Panzhihua Steel et Tangshan Steel. Cette technologie permet la production stable de rails de haute résistance et haute ténacité, de fils et de barres d'acier à haute performance, ainsi que d'aciers de haute qualité pour l'industrie automobile, à des taux de réduction élevés, comme 1,87:1 pour des produits de construction en acier et 3,74:1 pour les aciers de barres de grandes dimensions.

En parallèle à ces avancées, la question de savoir s'il est préférable d'opter pour la réduction douce ou la réduction lourde est fréquemment discutée parmi les experts et techniciens de l'industrie. Les deux méthodes ont pour objectif commun d'améliorer les défauts de ségrégation et de porosité au centre des blooms/plaques, favorisant ainsi l'homogénéité et la densité du produit. La différence réside dans la taille transversale spécifique des blooms/plaques et les exigences relatives aux produits laminés, ce qui entraîne des variations dans la quantité de réduction et la position de la réduction.

Au cours des 20 dernières années, les recherches se sont concentrées sur des questions scientifiques clés telles que "Où appliquer la réduction ? Quelle quantité de réduction est nécessaire ?", ainsi que sur les défis techniques relatifs à la mise en œuvre précise et fiable du processus de réduction. Ce domaine a vu émerger des approches innovantes et des applications industrielles significatives, favorisant la production stable d'aciers de haute performance.

Les avancées réalisées en matière de réduction dynamique sont maintenant un sujet majeur pour les entreprises du secteur. En effet, les équipements nécessaires et leur mise en œuvre sur les lignes de production sont au cœur des discussions pour continuer à améliorer la performance et la qualité des produits finis. L’expérience acquise, notamment grâce à l'application de cette technologie dans des sociétés comme Baosteel et Panzhihua Steel, démontre que l'application de réductions plus importantes est désormais possible et essentielle pour les produits de grande taille et haute résistance.

Dans cette évolution rapide de la technologie de réduction, une attention particulière doit être portée à la compréhension du comportement des matériaux pendant la solidification. Les processus de contrôle, basés sur une réduction dynamique en temps réel, permettent de s’adapter aux variations de la matière et d’améliorer ainsi la qualité du produit fini. Par ailleurs, la question de l'intégration de solutions électromagnétiques pour contrôler et améliorer le transport des solutés et leur ségrégation demeure un aspect clé pour l’optimisation future de ces procédés.

Quelle est l’influence de la réduction sur l’évolution des porosités dans la coulée continue ?

L’évolution des porosités internes pendant le processus de réduction des lingots est un sujet crucial pour comprendre la qualité du produit fini dans la coulée continue. Les porosités dans le centre du lingot se referment à des taux différents selon la direction de déformation, et ce phénomène varie en fonction de la réduction appliquée. L’étude des déformations axiales à différentes étapes de réduction révèle des résultats intéressants concernant la manière dont ces porosités évoluent sous l'effet des forces de déformation.

Lors de la réduction, les déformations dans la direction de l'épaisseur (Δlx), de la largeur (Δlz) et dans la direction de traction (Δly) se manifestent différemment selon la taille initiale des porosités. Par exemple, après une réduction de 10%, la différence dans les déformations entre la direction de traction et la direction de la largeur n’est que de 2,6% et 1,7% respectivement par rapport à la déformation dans la direction de l’épaisseur. Cela montre que les caractéristiques évolutives des porosités de différentes tailles sont essentiellement les mêmes après réduction. Ainsi, les degrés de fermeture des porosités, quel que soit leur taille initiale, sont approximativement égaux après le même processus de réduction, ce qui permet de simplifier l’étude des porosités à un diamètre spécifique, comme le diamètre de 6 mm qui a été étudié dans les recherches suivantes.

Les effets des contraintes axiales appliquées lors de la réduction sont également essentiels à comprendre. En effet, les contraintes dans les directions x, y et z sont toutes compressives après réduction, mais la contrainte dans la direction d'épaisseur (σx) est beaucoup plus importante que celles dans les directions de traction (σy) et de largeur (σz). Cela conduit à une diminution significative de la taille des porosités dans la direction d'épaisseur, tandis que la taille des porosités dans les autres directions augmente légèrement. Cependant, les petites contraintes dans les directions y et z ne parviennent pas à compenser l’expansion des porosités dans ces directions, ce qui explique l'augmentation de la taille dans la direction de traction par rapport à la largeur.

Un autre facteur important influençant la fermeture des porosités est la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur du lingot, particulièrement près de la fin de la solidification. Après la fin de la solidification, la température au centre du lingot chute rapidement, entraînant une diminution rapide de la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur du lingot. Cette réduction de la différence thermique a un impact direct sur l’évolution des porosités. Plus la différence de température diminue, moins le taux de fermeture des porosités est efficace. Cette diminution de l'efficacité est particulièrement notable entre les positions proches de la solidification et celles plus éloignées, ce qui implique que la capacité de réduction dans les zones situées après la fin de la solidification est de plus en plus limitée.

Les résultats montrent également que la résistance du lingot à la déformation augmente avec la diminution de la différence de température, ce qui exige une force de réduction plus importante. Par exemple, la force nécessaire pour une réduction de 6 % à la position 1 (près de la solidification) est beaucoup plus élevée que celle des positions plus éloignées. Cela signifie que, dans la production industrielle, la capacité de la machine de redressement à appliquer une réduction diminue au fur et à mesure que la position du lingot avance dans la coulée.

Ces observations soulignent l'importance d’adapter les conditions de réduction en fonction de la position dans la coulée pour optimiser le processus de fermeture des porosités. La gestion de la température interne du lingot, couplée à une compréhension fine des contraintes axiales et de leur influence sur l’évolution des porosités, est essentielle pour améliorer la qualité du produit final. Une étude approfondie de ces facteurs permet de mieux contrôler la formation de porosités et ainsi d’assurer une production plus efficace et de meilleure qualité dans le cadre de la coulée continue.

Comment le processus de réduction influence la microstructure de l'acier pendant la phase de chauffage

Le processus de réduction joue un rôle clé dans l'évolution de la microstructure des matériaux métalliques, en particulier dans la fabrication des aciers à travers le laminage et le chauffage. Ce processus a une influence directe sur la taille des grains d'austénite et de ferrite, modifiant ainsi les propriétés mécaniques et thermiques du matériau. L'acier est soumis à une réduction progressive de son épaisseur, ce qui induit des changements structuraux importants dans la phase austenitique et ferritique, menant à des améliorations significatives de sa performance.

L'un des effets les plus marquants de la réduction est la diminution progressive de la taille des grains d'austénite à mesure que la réduction augmente. Par exemple, lorsque la réduction atteint 25 mm, la taille moyenne des grains d’austénite est mesurée à 795 μm, soit une réduction de 66,25% par rapport à une réduction de 9 mm, où la taille des grains d'austénite était de 1200 μm. Ce raffinement de la structure de l’austénite est essentiel, car il crée plus de sites de nucléation pour la transformation de la phase d’austénite en ferrite, facilitant ainsi un contrôle plus précis de la transformation de la microstructure.

Le processus de déformation des matériaux entraîne la création de bandes de déformation, de jumeaux cristallins, de dislocations et d'autres défauts dans la microstructure, qui à leur tour favorisent le raffinement de la structure ferritique. La déformation à travers le laminage génère de l'énergie de déformation qui est stockée à l’intérieur des cristaux d’austénite, ce qui stimule la nucléation de la ferrite pendant le processus de chauffage et le refroidissement ultérieur. Cela permet d’obtenir des structures de ferrite plus fines et plus homogènes, contribuant ainsi à la durabilité et à la résistance de l'acier fini.

La température de chauffage et les conditions thermiques associées sont également des facteurs cruciaux dans l’évolution de la microstructure. En chauffant l’acier à une température spécifique, comme 1200°C dans les expériences de réduction, les phases métallurgiques subissent une transformation qui influence directement la taille et la distribution des grains. Par exemple, une réduction de 9 mm donne une taille maximale de grain de 105 μm, alors qu'une réduction de 25 mm réduit cette taille maximale à 60 μm, ce qui montre clairement que l’augmentation de la réduction mène à un raffinement plus important de la structure. Il est également observé que la structure de surface du lingot, qui subit un refroidissement plus rapide, présente des grains de ferrite plus fins comparés à ceux du cœur, confirmant ainsi l'effet de la vitesse de refroidissement sur la microstructure.

Les résultats des expériences montrent que le processus de réduction influence non seulement la taille des grains, mais aussi l’isotropie de la structure du matériau. Avec des réductions plus importantes, l’acier devient plus homogène et sa résistance aux contraintes directionnelles augmente. Cela est crucial dans la fabrication d’aciers utilisés dans des applications où la résistance mécanique et l’homogénéité du matériau sont essentielles, telles que dans l'industrie automobile ou aéronautique, où des matériaux à haute performance sont exigés.

Enfin, il est important de noter que la transformation de l’austénite en ferrite n'est pas simplement une conséquence du refroidissement, mais résulte également de l’énergie de déformation accumulée pendant le processus de réduction. Plus l’énergie de déformation est importante, plus la phase ferritique se nucléera efficacement, ce qui, en fin de compte, conduira à un raffinement global de la microstructure. Ce phénomène est d’autant plus prononcé lorsque la réduction est combinée à des stratégies de chauffage et de refroidissement optimisées.

Les ajustements dans les processus de chauffage, de refroidissement et de réduction peuvent ainsi être utilisés pour créer des matériaux métalliques aux caractéristiques spécifiques, répondant aux exigences de chaque application particulière.

Comment fonctionne le processus de réduction « single point + continuous » dans le laminage continu et comment prévenir les risques de fissuration ?

Le procédé de réduction « single point + continuous » est une technique avancée appliquée dans la phase finale de solidification lors du laminage continu de lingots ou de brames. La particularité réside dans l’utilisation combinée d’une réduction ponctuelle importante suivie d’une réduction continue plus modérée, ce qui permet d’améliorer la densité et la qualité du produit final tout en minimisant les défauts internes.

Dans la première étape, le rouleau interne d’arc situé à l’entrée du segment ECS applique une réduction significative. Ce rouleau de coulée initial peut augmenter progressivement la réduction tant que les conditions d’équipement le permettent et sans provoquer de fissures. Cette forte réduction initiale exploite la différence de température interne et externe du lingot pour améliorer la déformation vers le centre, favorisant ainsi une densité accrue au cœur de la pièce. Cette densification est cruciale car elle réduit la porosité centrale, défaut commun lié à la solidification incomplète.

Lorsque la fraction solide dépasse 0,9, le processus applique une réduction ponctuelle entre 3 et 20 mm par le premier rouleau support, garantissant une pénétration efficace de la réduction dans la zone solidifiée. Cette étape est suivie par une série de rouleaux qui appliquent une réduction continue à un taux de 1,0 à 5,0 mm par mètre, assurant que la pièce ne rebondisse pas après la déformation initiale et que sa coque soit compressée uniformément. Ce contrôle permet une contraction synchronisée entre l’intérieur et l’extérieur du lingot, évitant les cavités de retrait et la porosité causées par un retrait inégal.

Toutefois, ce processus de pressage est sensible à deux types de fissures : les fissures intermédiaires qui apparaissent dans la zone fragile de solidification et les fissures de surface provoquées principalement par des vibrations au niveau du cristallisoir. Les fissures intermédiaires naissent lorsque la déformation dépasse une limite critique dans la plage de température allant du point de température limite d’alimentation (LIT) au point de température limite plastique (ZDT). Cette limite critique est déterminée par des tests de traction à haute température sur des échantillons prélevés à différentes profondeurs dans la pièce, combinant analyse mécanique et observation microscopique des microfissures. La fissuration est évitée si la déformation durant la réduction reste en dessous de cette contrainte critique.

De même, la fissuration de surface est évaluée par des essais similaires, mais en tenant compte des concentrations de contrainte identifiées par des modèles couplant thermique et mécanique en 3D. Ces modèles simulent le comportement de la pièce sous différentes conditions de déformation, permettant d’évaluer le risque de propagation de fissures et de fixer des limites de réduction maximales. Cette approche permet de prévenir efficacement les fissures en adaptant le processus aux contraintes réelles.

L’intégration d’un système de contrôle intelligent est essentielle pour la mise en œuvre stable et sécurisée de cette technologie. Ce système comprend la collecte, la réception et la transmission des données, ainsi que leur traitement en temps réel via un modèle numérique. L’architecture du système se compose notamment de modules de sécurité pour la sauvegarde et le cryptage des données, d’un système d’affichage et d’analyse, d’un noyau de modélisation garantissant la précision du contrôle, et d’une interface de communication avec le PLC principal pour un pilotage précis des équipements.

Parmi les fonctionnalités clés, on trouve la gestion dynamique des