Réponse courte : Le trou de coulée d’un convertisseur s’use rapidement, car chaque coulée lui fait subir les mêmes trois agressions successives. L’air chaud et les gaz du four brûlent le carbone de la paroi du conduit, puis le flux d’acier emporte cette couche fragilisée, et le laitier qui passe à la fin de la coulée attaque 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 un manchon dense et très pur à liaison carbone, assurer un conduit lisse et une pose propre et bien ajustée, adopter des pratiques de coulée qui limitent l’oxygène, le FeO et l’entraînement du laitier, et mesurer 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 du convertisseur
- Une coulée dans la vie d’un trou de coulée
- Les cinq modes d’usure du trou de coulée d’un BOF
- Conséquences d’un trou usé sur la coulée
- Examiner votre propre trou de coulée
- Ralentir l’usure : manchon, pose, pratiques, entretien
- Calculer le coût par coulée
- Informations à nous transmettre pour un devis
- FAQ : Usure de l’orifice de coulée d’un convertisseur à oxygène
- Sources et références bibliographiques
Pourquoi le trou de coulée est l’endroit le plus sollicité du convertisseur
La durée de vie d’un revêtement de convertisseur se compte en milliers de coulées. Celle du trou de coulée, en bien moins. Les aciéries remplacent le manchon du trou de coulée de nombreuses fois au cours d’une campagne de convertisseur, et chaque remplacement entraîne un arrêt, de la main-d’œuvre et un risque de mauvaise première coulée.
La raison est simple quand on regarde à quoi sert le trou. Partout ailleurs dans le convertisseur, le revêtement est au contact du laitier et de l’acier, qui restent immobiles ou se déplacent lentement. Au trou de coulée, toute la masse d’acier liquide d’une coulée est forcée à travers un conduit de quelques centaines de millimètres de diamètre. Dans une étude sur la coulée au convertisseur, les trous simulés mesuraient 200 à 220 mm de diamètre (Materials, 2023). Un simple calcul de charge donne une idée de la vitesse. Avec 1 à 2 m d’acier au-dessus du trou, la vitesse d’écoulement idéale 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 : le flux est rapide, chaud et abrasif, et s’écoule contre une paroi à liaison carbone.
Le trou de coulée subit aussi le 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, avant d’être à nouveau chauffé. Peu d’autres endroits d’une aciérie passent par ces états à chaque coulée.
Deux articles publiés étayent les deux principaux mécanismes d’usure. Une étude de 2013 sur les manchons de trous de coulée de convertisseurs désigne l’érosion due à l’écoulement de l’acier et l’oxydation comme les mécanismes auxquels le réfractaire doit résister (ABM Proceedings, 2013). Une synthèse des zones d’usure dans les convertisseurs LD classe les zones de coulée et de laitier parmi les zones soumises à une attaque chimique, 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.
Une coulée dans la vie d’un trou de coulée
Suivez une coulée du début à la fin pour comprendre l’origine des dégâts.
- 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 y circuler.
- Fermeture et chargement. Le trou est nettoyé et rempli ou couvert selon vos pratiques. La ferraille et la fonte liquide sont chargées, et la cuve bascule d’un côté puis de l’autre.
- Soufflage. Le trou se trouve derrière le revêtement, à haute température, et la chaleur pénètre depuis l’intérieur.
- Fin de soufflage et prélèvement d’échantillons. La cuve bascule à nouveau et le trou peut être exposé au laitier ou au gaz pendant le prélèvement.
- Coulée. Le trou est ouvert. L’acier s’écoule d’abord, puis le laitier suit à la fin, parfois entraîné prématurément par un vortex.
Les étapes 1, 2 et 4 entraînent une perte de carbone. À l’étape 5, la surface fragilisée est arrachée et le laitier fait son effet. Le cycle recommence ensuite.
Les cinq mécanismes d’usure du trou de coulée d’un convertisseur BOF
1. Oxydation et érosion par le flux : le cycle principal
Le carbone maintient ensemble le manchon en magnésie-carbone et empêche le laitier d’y pénétrer. Lorsque l’air ou le gaz chaud atteint la paroi de l’alésage entre deux coulées, le carbone près 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 dure pas. Dès que l’acier commence à s’écouler, il l’emporte en quelques minutes. La surface suivante, en dessous, est alors exposée à l’air et au gaz pendant l’intervalle entre deux coulées. À chaque cycle, une petite quantité est éliminée et l’alésage s’élargit. On parle d’oxydation et d’érosion par le flux, car aucun de ces phénomènes n’agit seul. Sans oxydation, le flux rencontrerait un matériau solide dont le carbone est fortement lié. Sans le flux, la couche oxydée resterait en place et protégerait le reste.
C’est aussi pourquoi une busette contenant les antioxydants appropriés et présentant 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 pour réduire la quantité que le lavage peut éliminer.
2. Érosion par le flux au bord d’entrée
C’est à l’entrée du trou, côté chaud, que le flux accélère d’abord. Le bord y subit les plus fortes contraintes de cisaillement. Une entrée à arête vive ou irrégulière perturbe le flux et crée des turbulences, ce qui accélère l’usure du bord et dégrade encore davantage l’écoulement. Une entrée lisse et arrondie freine cette spirale.
3. Laitier en fin de coulée
Le laitier, riche en FeO, attaque la magnésie et le carbone. L’exposition la plus forte survient à la fin de la coulée, lorsque le niveau d’acier au-dessus du trou baisse et qu’un vortex se forme. Une étude de simulation sur la coulée d’un convertisseur a montré que le laitier sortait par le trou après environ 43 s avec une inclinaison de 90 degrés, et qu’un vortex stable se formait après environ 50 s. Avec des inclinaisons de 100 et 105 degrés, le vortex était retardé et se formait après environ 71 s et 74 s. Les trous plus grands déclenchaient le vortex plus tôt : apparition à 68.8 s pour un trou de 200 mm, à 62.6 s pour un trou de 210 mm et à 57.1 s pour un trou de 220 mm (Materials, 2023). Ces résultats de modélisation concernent une seule cuve et ne constituent pas une règle applicable à la vôtre, mais la tendance est utile. Un trou plus grand déclenche le vortex plus tôt, ce qui 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 suivent les lignes de joint. Elles permettent à l’air et au laitier de pénétrer dans le corps et provoquent l’écaillage de morceaux sous le flux.
5. Manutention et installation
Le décrassage à la lance, le nettoyage, les charges inclinées et un espace entre la busette et le revêtement qui l’entoure causent des dommages qu’aucune nuance de matériau ne peut prévenir. L’acier s’infiltre rapidement dans les interstices. Une busette mal posée peut se détériorer de l’extérieur vers l’intérieur alors que l’alésage semble encore intact.
Comment ces phénomènes s’amplifient mutuellement : La combustion et le lavage élargissent l’alésage. Un alésage plus large fait baisser plus tôt la tête d’acier, ce qui déclenche le vortex plus tôt et fait passer davantage de laitier par le trou. Le laitier accélère l’usure de la busette. Interrompez cette spirale à n’importe quel stade et le reste ralentira.
Les effets d’un trou usé sur votre coulée
Il n’est pas nécessaire d’attendre que la busette soit hors d’usage 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 tend à absorber 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 du laitier augmente. Le vortex se forme plus tôt et est plus difficile à arrêter. Plus de laitier dans la poche signifie davantage de traitement du laitier en poche et un risque accru pour la ligne de laitier de la poche.
- Le jet change de direction. Un alésage irrégulier peut diriger le jet vers le bord de la poche ou l’écarter 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 meilleure question est de savoir à quelle vitesse vous vous en rapprochez, ce qui nécessite des mesures.
Analyser 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 aucun équipement 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 le nombre de coulées et la durée de coulée à côté.
Tracez le diamètre en fonction du nombre de coulées. Une ligne droite indique une usure régulière. Une ligne qui s’incurve vers le haut signifie que la couche sans carbone s’épaissit ou que le laitier prend le dessus. Un changement brusque indique une fissure, un éclat à l’entrée ou une défaillance du joint.
Observez où se trouve l’usure. Photographiez le bord d’entrée, la paroi de l’alésage et la sortie lorsque vous changez le manchon.
| Ce que vous observez | Cause probable | Premier point à vérifier |
|---|---|---|
| Bord d’entrée arrondi et érodé | Érosion par l’écoulement et présence précoce de laitier | Forme de l’entrée, vitesse d’inclinaison, arrêt du laitier |
| Alésage lisse et élargi uniformément | Combustion et érosion | Intervalle 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 mauvais alignement | Angle d’installation et positionnement du joint |
| Fissures à travers l’alésage ou la sortie | Choc thermique | Routine de refroidissement et de réchauffage, teneur en graphite du manchon |
| Traces d’acier le long du joint du manchon | Jeu ou mauvais positionnement | Masse de soutien, remplissage des joints, préchauffage |
| Surface de l’alésage vitreuse et colorée par le laitier | Laitier en fin de coulée | Entraînement du laitier, FeO en fin de coulée |
Un seul manchon peut induire en erreur. Comparez-en deux ou trois de suite avant de tirer une conclusion.
Ralentir l’usure : manchon, installation, pratiques, maintenance
Aucune solution isolée 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 nuances que nous fabriquons.
- Densité. Une porosité ouverte plus faible réduit 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 en fonction du 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 sous le laitier.
- Compatibilité avec les matériaux environnants. 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 et l’épaisseur de paroi du manchon déterminent la réserve d’usure. Demandez un plan adapté à votre convertisseur, et non un modèle générique.
- Un joint propre et bien rempli. La masse de calage ou le matériau réfractaire coulé 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 déviera le jet.
Pratique de coulée
- Oxygène en fin de cycle et FeO du laitier. Une coulée fortement oxydée attaque le carbone du manchon et du revêtement. Réduire l’oxygène lors de la décantation améliore l’ensemble, pas seulement 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 convient à votre convertisseur.
- Arrêt du laitier. Un bon dispositif d’arrêt du laitier ou un système de détection réduit le temps de passage du laitier dans le manchon.
- Intervalle entre les coulées. Une exposition plus courte à l’air et au 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’embouchure lorsque les pratiques de l’usine le permettent. Consultez la page sur les réfractaires pour convertisseur BOF pour découvrir les matériaux de réparation que nous fournissons.
- Remplacement planifié. Déclenchez le remplacement du manchon en fonction d’une limite mesurée et, si possible, lors d’un autre arrêt planifié.
- Gardez des pièces de rechange à disposition et préchauffées. Un remplacement qui se déroule sans accroc 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 le remplacement
Le coût de l’arrêt est souvent supérieur à celui de la manche. C’est pourquoi une manche moins chère qui dure moins de coulées peut coûter davantage par coulée. À titre d’exemple, si une manche dure 30 % plus longtemps, le coût par coulée tombe à environ 77 % de sa valeur initiale, soit une économie de 23 %, sans même tenir compte des avantages liés à la réduction du nombre d’arrêts et des coulées défectueuses.
Éléments à nous envoyer pour obtenir un devis
Nous fabriquons des réfractaires à liaison carbone dans notre propre usine. Pour une manche d’orifice de coulée, plus vous pourrez nous transmettre d’éléments de la liste ci-dessous, plus notre première proposition sera précise.
- La capacité du convertisseur et le plan de l’orifice de coulée, avec le diamètre de l’orifice, la longueur de la manche et le revêtement périphérique.
- La nuance de la manche actuelle et la fiche technique du fournisseur, si vous l’avez.
- Le nombre de coulées avant remplacement, la limite appliquée (diamètre ou durée de coulée) et le motif de remplacement des trois dernières manches.
- Des photos des manches usagées : entrée, paroi de l’orifice et sortie, montrant les traces d’usure.
- Les nuances d’acier, la température de coulée, la teneur habituelle en oxygène en fin de soufflage et l’utilisation éventuelle d’un dispositif d’arrêt du laitier.
- Votre procédure de nettoyage et de fermeture, ainsi que le temps 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 de l’orifice de coulée d’un convertisseur à oxygène
Pourquoi l’orifice de coulée d’un convertisseur à oxygène s’use-t-il si vite ?
L’orifice subit une combustion et une érosion à chaque coulée. L’air et le gaz brûlent le carbone de la paroi de l’orifice entre les coulées, le flux d’acier arrache la couche fragilisée, et le laitier en fin de coulée attaque ce qui reste. Les chocs thermiques et les manipulations brusques aggravent les dégâts.
Combien de coulées une manche d’orifice de convertisseur doit-elle durer ?
Il n’existe pas de valeur unique. La durée de vie dépend de la taille du convertisseur, de la qualité de la manche, de la pose, de vos pratiques de coulée et de la limite que vous fixez pour le diamètre de l’orifice ou la durée de coulée. La valeur utile est la vôtre : relevez le diamètre en fonction du nombre de coulées et améliorez-le progressivement.
De quoi est faite une manche d’orifice 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 posés dans un revêtement périphérique. La composition exacte en grains, en carbone et en antioxydants dépend du fournisseur et des conditions d’utilisation.
Comment savoir quand remplacer l’orifice de coulée ?
Fixez une limite pour le diamètre de l’orifice ou la durée de coulée, et suivez les deux à chaque coulée. Remplacez la manche avant d’atteindre la limite, idéalement lors d’un arrêt planifié. Une inflexion de la courbe du diamètre est un signe avant-coureur.
Un orifice de coulée plus grand entraîne-t-il davantage d’entraînement de laitier ?
Dans une étude de simulation, les trous de plus grand diamètre provoquaient l’apparition plus précoce du vortex : après 68,8 s pour un trou de 200 mm et 57,1 s pour un trou de 220 mm. Ce modèle concerne un seul convertisseur, mais cette tendance justifie de conserver un diamètre de trou proche de la valeur prévue à la conception.
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 a-t-il une incidence 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 douille et du revêtement. Maîtriser l’oxygène en fin de soufflage est bénéfique pour l’ensemble du convertisseur, pas seulement pour le 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 accroître la teneur en oxygène et en azote.
Peut-on réparer un trou de coulée à chaud ?
De nombreuses aciéries réparent à chaud la zone d’entrée, en fonction des dégâts et de leurs pratiques. Une fissure profonde ou un joint défectueux nécessite généralement le remplacement de la douille.
Que dois-je dire à mon fournisseur pour obtenir une meilleure douille ?
Envoyez le plan, le nombre de coulées avant remplacement, les raisons des derniers changements, des photos des douilles usagées, les nuances d’acier, l’oxygène en fin de soufflage et votre méthode d’arrêt du laitier. Des photos d’usure réelle et des chiffres sont plus utiles qu’une description générale.
Sources et références bibliographiques
- Simulation de l’écoulement lors de la coulée du 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 douille (résumé).
- Mécanismes d’usure dans différentes zones des convertisseurs LD, ABM Proceedings : attaque chimique dans les zones de coulée et de laitier (résumé).