Réponse courte : Un trou de coulée de convertisseur s’use rapidement, car chaque coulée lui inflige les mêmes trois agressions successives. L’air chaud et les gaz du four brûlent le carbone de la paroi de l’orifice ; le flux d’acier emporte ensuite cette couche fragilisée, puis les scories qui passent à la fin de la coulée attaquent ce qui reste. Les chocs thermiques et les manipulations brutales provoquent en outre des fissures et des éclats. Pour ralentir l’usure, il faut agir sur quatre fronts : utiliser une douille dense, très pure et liée au carbone ; garantir un orifice lisse et une installation propre et bien ajustée ; adopter des pratiques de coulée qui limitent l’oxygène, le FeO et l’entraînement des scories ; et mesurer régulièrement le trou à chaque coulée afin de le remplacer au moment prévu, plutôt qu’après une mauvaise coulée.
- Pourquoi le trou de coulée est l’endroit le plus sollicité de la cuve
- Une coulée dans la vie d’un trou de coulée
- Les cinq modes d’usure du trou de coulée d’un convertisseur BOF
- Les effets d’un trou usé sur votre coulée
- Examiner votre trou de coulée
- Ralentir l’usure : douille, installation, pratiques et entretien
- Calculer le coût par coulée
- Que nous envoyer pour obtenir un devis
- FAQ : Usure du trou de coulée d’un convertisseur à oxygène
- Sources et documentation de référence
Pourquoi le trou de coulée est l’endroit le plus sollicité de la cuve
La durée de vie d’un revêtement de convertisseur se mesure en milliers de coulées. Celle du trou de coulée se mesure en bien moins. Les usines remplacent la douille du trou de coulée plusieurs fois au cours d’une campagne de convertisseur, et chaque remplacement entraîne un arrêt, mobilise de la main-d’œuvre et comporte un risque de mauvaise première coulée.
La raison est simple quand on regarde le rôle du trou. Partout ailleurs dans la cuve, le revêtement est en contact avec des scories et de l’acier qui restent immobiles ou se déplacent lentement. Au trou de coulée, toute la masse d’acier liquide est forcée de passer par un orifice de quelques centaines de millimètres de diamètre. Dans une étude sur la coulée au convertisseur, les trous simulés avaient un diamètre de 200 à 220 mm (Materials, 2023). Un simple calcul de hauteur de charge permet de se faire une idée de la vitesse. Avec 1 à 2 m d’acier au-dessus du trou, la vitesse idéale d’écoulement est d’environ 4,4 à 6,3 m/s. Les vitesses réelles sont plus faibles en raison des pertes, mais l’ordre de grandeur est clair : un flux rapide, chaud et abrasif contre une paroi liée au carbone.
Le trou de coulée est aussi soumis au cycle de service le plus exigeant. Il est chaud lorsque l’acier s’écoule, puis exposé à l’air et aux gaz, ensuite fermé ou rempli, puis chauffé à nouveau. Peu d’autres endroits d’une aciérie passent par ces états à chaque coulée.
Deux articles publiés étayent les deux principaux modes d’usure. Une étude de 2013 sur les manchons de trous de coulée de convertisseurs cite l’érosion due à l’écoulement de l’acier et l’oxydation parmi les mécanismes auxquels le matériau réfractaire doit résister (ABM Proceedings, 2013). Une revue des zones d’usure dans les convertisseurs LD classe les zones de coulée et de laitier parmi celles soumises aux attaques chimiques, c’est-à-dire à la corrosion et à l’oxydation (ABM Proceedings). Les deux articles ne sont disponibles que sous forme de résumés ; je m’appuie donc sur eux pour les mécanismes, et non pour les chiffres.
Un cycle de production dans la vie d’un trou de coulée
Suivez un cycle de production complet et vous verrez d’où vient l’usure.
- Après la coulée. Le convertisseur revient à la verticale. L’alésage est chaud et vide, et l’air ainsi que les gaz du four peuvent le traverser.
- Fermeture et chargement. Le trou est nettoyé puis rempli ou couvert selon vos pratiques. On charge la ferraille et la fonte liquide, et la cuve s’incline d’avant en arrière.
- Soufflage. Le trou se trouve derrière le garnissage, à haute température, tandis que la chaleur pénètre depuis l’intérieur.
- Fin de soufflage et prélèvement. La cuve s’incline de nouveau et le trou peut être exposé au laitier ou aux gaz pendant le prélèvement.
- Coulée. Le trou est ouvert. L’acier s’écoule en premier, puis le laitier à la fin, parfois aspiré plus tôt par un vortex.
Les étapes 1, 2 et 4 sont celles où le carbone disparaît. À l’étape 5, la surface fragilisée est arrachée et le laitier agit. Puis le cycle recommence.
Les cinq modes d’usure du trou de coulée d’un convertisseur BOF
1. Usure par oxydation et érosion : le cycle principal
Le carbone maintient ensemble un manchon en magnésie-carbone et l’empêche d’être pénétré par le laitier. Lorsque l’air ou les gaz chauds atteignent la paroi de l’alésage entre deux coulées, le carbone proche de la surface brûle. Il reste alors une fine couche poreuse de grains de magnésie qui ne sont plus liés entre eux.
Cette couche ne tient pas. Lorsque le flux d’acier commence à s’écouler, il l’arrache en quelques minutes. La surface suivante, en dessous, est alors exposée à l’air et aux gaz pendant l’intervalle entre deux coulées. À chaque cycle, une petite quantité de matière est retirée et l’alésage s’élargit. Nous appelons cela l’usure par oxydation et érosion, car aucune des deux ne se produit seule. Sans oxydation, le flux rencontrerait un matériau résistant, lié par le carbone. Sans le flux, la couche oxydée resterait en place et protégerait le reste.
C’est aussi pourquoi une busette dotée des bons antioxydants et d’une faible porosité est utile. Le principe est le même que celui décrit dans notre livre blanc sur la perte de carbone des briques MgO-C : ralentir la perte de carbone réduit la matière que la moitié liée au lavage peut enlever.
2. Érosion par le flux au bord d’entrée
C’est à l’extrémité du trou côté face chaude que le flux accélère d’abord. Le bord y subit le cisaillement le plus élevé. Un bord d’entrée vif ou irrégulier perturbe le flux et augmente les turbulences, ce qui accélère l’usure du bord et dégrade davantage l’écoulement. Une entrée lisse et arrondie ralentit ce cercle.
3. Laitier en fin de coulée
Le laitier, riche en FeO, attaque à la fois la magnésie et le carbone. L’exposition la plus sévère se produit en fin de coulée, lorsque le niveau d’acier au-dessus du trou baisse et qu’un vortex se forme. Une étude par simulation sur la coulée en convertisseur a révélé que le laitier sortait par le trou après environ 43 s à une inclinaison de 90 degrés, avec un vortex stable après environ 50 s. À des inclinaisons de 100 et 105 degrés, le vortex se formait plus tard, après environ 71 s et 74 s. Les trous plus grands faisaient apparaître le vortex plus tôt : début après 68,8 s pour un trou de 200 mm, 62,6 s pour 210 mm et 57,1 s pour 220 mm (Materials, 2023). Ce sont des résultats de modélisation pour un seul convertisseur, pas une règle applicable au vôtre, mais la tendance est utile. Un trou plus grand permet au vortex de se former plus tôt, et cela signifie que davantage de laitier passe par la busette.
4. Choc thermique
L’alésage passe d’un état refroidi, parfois rempli, à un flux d’acier continu à plus de 1 600 °C. Des fissures traversent la busette et longent les lignes de jonction. Elles permettent à l’air et au laitier de pénétrer dans le corps et favorisent l’écaillage de morceaux sous l’effet du flux.
5. Manipulation et installation
Le décrassage à la lance, le nettoyage, l’inclinaison des charges et l’espace entre la busette et le revêtement qui l’entoure causent tous des dommages qu’aucune qualité de matériau ne peut corriger. L’acier trouve rapidement le moindre interstice. Une busette mal posée peut lâcher de l’extérieur vers l’intérieur alors que l’alésage semble encore intact.
Comment les deux se renforcent : L’érosion et le lavage élargissent l’alésage. Un alésage plus large fait baisser plus tôt la hauteur d’acier, ce qui déclenche le vortex plus tôt et entraîne davantage de laitier dans le trou. Plus de laitier accélère l’usure de la busette. Brisez le cercle à n’importe quel stade et le reste ralentira.
Les effets d’une busette usée sur votre coulée
Vous n’avez pas besoin d’attendre que la busette lâche pour en ressentir les effets.
- La durée de coulée change. Un alésage plus large vide la cuve plus rapidement. Un alésage rugueux ou décentré peut ralentir ou perturber le jet.
- Le jet s’élargit. Un jet large et turbulent a tendance à capter davantage d’air en route vers la poche, ce qui favorise l’absorption d’oxygène et d’azote. L’effet se répercute en aval : un acier plus propre à l’entrée de la poche facilite les opérations ultérieures au répartiteur, comme nous l’expliquons dans notre article sur le contrôle de l’écoulement dans le répartiteur et de l’oxygène.
- L’entraînement de laitier augmente. Le vortex se forme plus tôt et est plus difficile à arrêter. Davantage de laitier dans la poche signifie plus de traitements du laitier en poche et un risque accru pour la ligne de laitier de la poche.
- Le jet est orienté différemment. Un alésage irrégulier peut diriger le jet vers le bord de la poche ou l’éloigner du centre.
- Les ajouts d’alliages deviennent moins réguliers. Une coulée plus rapide ou irrégulière modifie la dissolution des alliages et la quantité perdue dans le laitier.
La plupart des usines fixent une limite de diamètre du trou ou de durée de coulée. La question la plus importante est de savoir à quelle vitesse vous vous en approchez, ce qui nécessite des mesures.
Lire les données de votre propre trou de coulée
Un trou de coulée fournit des données à chaque coulée si vous les recueillez. Le plan ci-dessous est simple et ne nécessite rien de spécial.
Mesurez à chaque coulée, ou au moins toutes les quelques coulées. Utilisez une jauge ou une tige étalonnée pour relever le diamètre de l’alésage. Notez à côté le nombre de coulées et le temps de coulée.
Tracez le diamètre en fonction du nombre de coulées. Une ligne droite indique une usure régulière. Une ligne qui s’infléchit vers le haut signifie que la couche sans carbone s’approfondit ou que le laitier prend le dessus. Un changement brutal indique une fissure, un bord d’entrée ébréché ou une défaillance du joint.
Observez où se situe l’usure. Photographiez le bord d’entrée, la paroi de l’alésage et la sortie lorsque vous remplacez le manchon.
| Ce que vous observez | Cause probable | Premier point à vérifier |
|---|---|---|
| Bord d’entrée arrondi et érodé | Érosion par l’écoulement et arrivée précoce du laitier | Forme de l’entrée, vitesse d’inclinaison, arrêt du laitier |
| Alésage lisse et élargi de façon régulière | Brûlure et érosion | Temps entre les coulées, densité et teneur en carbone du manchon |
| Usure plus importante d’un côté que de l’autre | Le jet frappe un côté ou est mal aligné | Angle d’installation et ajustement du joint |
| Fissures traversant l’alésage ou la sortie | Choc thermique | Routine de refroidissement et de chauffage, teneur en graphite du manchon |
| Traces d’acier le long du joint du manchon | Jeu ou mauvais calage | Masse de soutien, remplissage des joints, préchauffage |
| Surface de l’alésage vitreuse, colorée par le laitier | Laitier en fin de coulée | Entraînement de laitier, FeO en fin de coulée |
Un seul manchon peut être trompeur. Comparez-en deux ou trois à la suite avant de tirer une conclusion.
Ralentir l’usure : manchon, installation, pratiques, maintenance
Aucune solution unique ne suffit. Les usines qui prolongent la durée de vie des trous de coulée agissent généralement sur les quatre points ci-dessous.
Matériau du manchon
- Qualité des grains. La magnésie de haute pureté, de préférence électrofondue, à faible teneur en silice et en chaux, résiste mieux au laitier. Consultez notre page sur les briques MgO-C pour découvrir les qualités que nous fabriquons.
- Densité. Une porosité ouverte plus faible limite la pénétration de l’air et du laitier dans le matériau.
- Carbone et antioxydants. La source de carbone et le mélange d’antioxydants sont choisis pour le cycle de combustion et d’érosion, et non pour une ligne de laitier. Un manchon exposé à l’air entre les coulées nécessite un équilibre différent de celui d’une brique immergée dans le laitier.
- Adaptation à l’environnement. Le manchon doit se dilater et se rétracter sans fissurer le joint.
Géométrie et installation
- Un alésage lisse avec une entrée arrondie réduit les turbulences au premier point de contact.
- La longueur du manchon et l’épaisseur de la paroi déterminent votre réserve d’usure. Demandez un plan adapté à votre convertisseur, et non un plan générique.
- Un joint propre et bien rempli. Le matériau de bourrage ou le béton réfractaire doit remplir l’espace sans laisser de vide. Préchauffez le nouveau manchon selon les recommandations de votre fournisseur.
- Centrage et angle. Un manchon décalé de quelques degrés s’usera d’un côté et orientera le jet hors de la cible.
Pratique de coulée
- Oxygène en fin de soufflage et FeO du laitier. Une coulée fortement oxydée attaque le carbone du manchon et du revêtement. Réduire l’oxygène en fin de soufflage est bénéfique pour l’ensemble, pas seulement pour le trou de coulée.
- Angle et vitesse d’inclinaison. La simulation ci-dessus suggère que l’inclinaison influe sur le moment où le vortex se forme. Vos propres essais vous indiqueront ce qui fonctionne sur votre convertisseur.
- Arrêt du laitier. Un bon bouchon de laitier ou un système de détection réduit le temps pendant lequel le laitier traverse le manchon.
- Temps entre les coulées. Une exposition plus courte à l’air et aux gaz réduit la combustion du carbone.
- Nettoyage et fermeture en douceur. Débouchez et nettoyez le trou avec précaution. Évitez d’ébrécher le bord d’entrée.
Maintenance
- Réparation à chaud de l’orifice lorsque les pratiques de l’usine le permettent. Consultez la page sur les réfractaires de convertisseur BOF pour découvrir les matériaux de réparation que nous fournissons.
- Remplacement planifié. Déterminez les remplacements du manchon en fonction d’une limite mesurée et, dans la mesure du possible, d’un autre arrêt planifié.
- Gardez des pièces de rechange prêtes et préchauffées. Un remplacement effectué sans encombre protège la première coulée.
Calcul du coût par coulée
Le prix du manchon seul n’est pas le bon indicateur. Utilisez plutôt celui-ci :
Coût par coulée = (coût du manchon + main-d’œuvre d’installation + coût de l’arrêt) / nombre de coulées avant remplacement
Le coût de l’arrêt dépasse souvent celui du manchon. C’est pourquoi un manchon moins cher qui dure moins de coulées peut revenir plus cher par coulée. À titre d’exemple : si un manchon dure 30 % plus longtemps, le coût par coulée tombe à environ 77 % de son niveau initial, soit une économie de 23 %, sans même compter les avantages liés à la réduction du nombre d’arrêts et de coulées défectueuses.
Éléments à nous envoyer pour obtenir un devis
Nous fabriquons des réfractaires à liaison carbone dans notre propre usine. Pour un manchon de trou de coulée, plus vous pourrez nous envoyer d’éléments de la liste ci-dessous, plus notre première proposition sera précise.
- La capacité du convertisseur et le plan du trou de coulée, avec le diamètre de l’alésage, la longueur du manchon et le revêtement environnant.
- La nuance du manchon actuel et sa fiche technique, si vous l’avez.
- Le nombre de coulées avant remplacement, la limite appliquée (diamètre ou temps de coulée) et la raison du remplacement des trois derniers manchons.
- Des photos des manchons usagés : entrée, paroi de l’alésage et sortie, montrant le profil d’usure.
- Les nuances d’acier, la température de coulée, la teneur habituelle en oxygène en fin de coulée et l’utilisation ou non d’un arrêt de laitier.
- Votre procédure de nettoyage et de fermeture, ainsi que le délai entre les coulées.
Envoyez-le via notre page de contact ou par e-mail à sales@ykchanshine.com. Pour découvrir comment nous fabriquons et testons nos produits à liaison carbone, consultez notre page sur notre usine de produits réfractaires.
FAQ : Usure du trou de coulée d’un convertisseur à oxygène
Pourquoi le trou de coulée d’un convertisseur à oxygène s’use-t-il si vite ?
Le trou subit une combustion et une érosion à chaque coulée. L’air et le gaz brûlent le carbone de la paroi de l’alésage entre les coulées, le flux d’acier arrache la couche fragilisée et le laitier attaque ce qui reste en fin de coulée. Les chocs thermiques et les manipulations brusques aggravent les dommages.
Combien de coulées un trou de coulée de convertisseur doit-il durer ?
Il n’existe pas de chiffre unique. La durée de vie dépend de la taille du convertisseur, de la qualité du manchon, de l’installation, de vos pratiques de coulée et de la limite que vous fixez pour le diamètre du trou ou le temps de coulée. Le chiffre utile est le vôtre : consignez le diamètre en fonction du nombre de coulées et améliorez-le progressivement.
De quoi est fait un manchon de trou de coulée de convertisseur ?
La plupart sont des réfractaires à liaison carbone à base de magnésie, de la famille MgO-C, façonnés selon un plan et installés dans un revêtement environnant. La composition exacte en grains, carbone et antioxydants dépend du fournisseur et des conditions d’utilisation.
Comment savoir quand remplacer le trou de coulée ?
Fixez une limite au diamètre de l’alésage ou au temps de coulée, et suivez les deux à chaque coulée. Remplacez la pièce avant d’atteindre la limite, idéalement lors d’un arrêt planifié. Une inflexion de la courbe de diamètre est un signe précurseur.
Un trou de coulée plus grand entraîne-t-il davantage d’entraînement de laitier ?
Dans une étude de simulation, des trous plus larges provoquaient l’apparition plus précoce du vortex : à 68,8 s pour un trou de 200 mm et à 57,1 s pour un trou de 220 mm. Il s’agit d’un modèle pour un convertisseur donné, mais cette tendance incite à conserver un diamètre proche de la valeur nominale.
L’angle d’inclinaison a-t-il une importance pendant la coulée ?
Dans la même étude, des angles d’inclinaison plus élevés retardaient l’apparition du vortex. Les résultats du modèle ne s’appliquent pas à tous les convertisseurs ; testez donc tout changement sur votre propre convertisseur.
L’oxygène dans l’acier influe-t-il sur l’usure du trou de coulée ?
Une coulée fortement oxydée, avec une teneur élevée en oxygène en fin de soufflage et en FeO dans le laitier, attaque le carbone de la busette et du revêtement. La maîtrise de l’oxygène au décarburage profite à l’ensemble du convertisseur, pas seulement au trou de coulée.
Pourquoi le jet s’élargit-il lorsque le trou est usé ?
Un alésage plus large et plus rugueux perturbe l’écoulement. Un jet qui s’élargit a tendance à entraîner davantage d’air jusqu’à la poche, ce qui peut augmenter la reprise d’oxygène et d’azote.
Peut-on réparer un trou de coulée à chaud ?
De nombreuses usines effectuent une réparation à chaud de la zone de l’orifice, selon les dommages et leurs pratiques. Une fissure profonde ou une jointure défectueuse nécessite généralement le remplacement de la busette.
Que dois-je communiquer à mon fournisseur pour obtenir une meilleure busette ?
Envoyez le plan, le nombre de coulées avant le remplacement, les raisons des derniers changements, des photos des busettes usagées, les nuances d’acier, la teneur en oxygène en fin de soufflage et votre méthode d’arrêt du laitier. Les photos d’usure réelle et les données chiffrées sont plus utiles qu’une description générale.
Sources et documentation de référence
- Simulation de l’écoulement lors de la coulée d’un convertisseur : angle d’inclinaison, vortex et diamètre du trou de coulée, Materials 2023, 16(8), 3209 : simulation de l’apparition du vortex, de l’angle d’inclinaison et du diamètre du trou de coulée (200, 210, 220 mm).
- Évaluation des propriétés de la pièce réfractaire en MgO-C pour les trous de coulée des convertisseurs, 44e séminaire ABM sur l’élaboration de l’acier, 2013 : l’érosion et l’oxydation comme mécanismes d’usure de la busette (résumé).
- Mécanismes d’usure dans différentes zones des convertisseurs LD, ABM Proceedings : attaque chimique dans les zones de coulée et de laitier (résumé).