L’usure dans l’industrie sidérurgique

Welding Alloys

Bonjour et bienvenue sur notre podcast Welding Alloys. Welding Alloys, le fournisseur de solutions de lutte contre l’usure à l’échelle mondiale.

Nous nous retrouvons aujourd’hui avec Sébastien, Key Industry Manager pour l’industrie de l’acier et Guy, directeur commercial, afin d’échanger sur l’un des secteurs d’activité de Welding Alloys: la sidérurgie.

Pour commencer, Sébastien, est-ce que tu pourrais nous présenter les problèmes d’usure auxquels l’industrie sidérurgique est confrontée?

Dans les installations sidérurgiques, l’usure est présente à différents niveaux.

Cette usure se développe en début de process par la gestion des minerais entraînant soit une abrasion à froid (port minéralier et cokerie) soit une abrasion à chaud (agglomération et cokerie).

À partir du moment où les minerais ont été transformés en fonte, puis en acier (carbone ou inoxydable), les phénomènes d’usure sont la corrosion, l’oxydation à hautes températures, l’abrasion métal/métal et la corrosion.

Il existe, sur des applications transversales comme l’aspiration et la séparation, des phénomènes d’érosion. Ces problèmes d’usure exigent une expertise pour la fabrication de pièces ou d’interventions sur site et une parfaite maîtrise de la métallurgie pour la confection d’alliages. Cela nécessite aussi la maîtrise de la fabrication de machines de rechargement.

L’ensemble de ces compétences nous permet d’offrir aux utilisateurs finaux et aux sous traitants liés à la sidérurgie toute la palette des solutions dont ils ont besoin.

Merci Sébastien pour cette introduction. Est-ce que tu pourrais maintenant nous expliquer un peu plus en détail le fonctionnement d’une coulée continue, qui est le cœur du sujet de notre podcast d’aujourd’hui.

Avec plaisir Jennifer,

La coulée continue c’est ce qui, assez simplement, permet de passer d’un acier liquide sans forme à un acier solide d’une forme spécifique. Il existe des coulées continues de produits plats et à ce moment on va parler de brames et il existe des coulées continues de produits longs et à ce moment-là on parle de blooms ou de billettes.

Ces produits sont destinés à être transformés par laminage à chaud pour fabriquer d’autres formats de produits. Ces formats sont eux-mêmes appelés à être encore transformés à chaud ou à froid.

Il existe par ailleurs un autre système permettant de passer d’un acier liquide à un acier solide, c’est le système de la lingotière.

D’accord, et alors au stade de la coulée continue quels sont les enjeux majeurs pour les usines sidérurgiques?

L’enjeu de toutes les usines sidérurgiques est clairement le coût à la tonne produite. Ce coût à la tonne produite intervient à chaque étape du processus de production. Il est dans l’achat des matières premières sur le marché mondial, dans la consommation énergétique liée à la transformation des matériaux, dans la performance des équipements et dans leur maintenance associée.

Chaque secteur d’une sidérurgie a des enjeux spécifiques. Ceux de la coulée continue sont d’abord ceux de la disponibilité de la coulée continue. Le rôle de chacun dans la maîtrise de cet enjeu est de faire en sorte que la coulée continue soit disponible autant que nécessaire.

La partie qui nous concerne aujourd’hui est liée au maintien en état des rouleaux de coulée continue.

Au fait, comment les maintient-on en état?

Jennifer, Si tu veux bien, je vous explique d’abord comment fonctionne une coulée continue et juste après je vous dis tout sur le maintien en état des rouleaux de coulée continue.

Une coulée continue c’est à la fois simple dans le concept et assez compliqué dans la réalité. Tout d’abord, tu commences par placer une cuve de 500 tonnes (350 tonnes d’acier liquide et 150 tonnes pour le poids de la cuve elle-même composée d’une structure en acier et complètement garnie de briques réfractaires) au-dessus d’un distributeur.

Ce distributeur doit accueillir l’acier liquide et le diriger vers deux coulées continues. En dessous du distributeur tu vas trouver une lingotière en cuivre. C’est dans cette lingotière, refroidie, que l’acier liquide prend forme. La tête de mannequin ferme la lingotière. Le métal liquide prend place dans la lingotière et dans la tête du mannequin. Après une solidification en surface, la coulée continue démarre. Cela veut dire que la tête du mannequin descend et que l’alimentation de la lingotière continue. Pour encadrer la forme prismatique sortie de lingotière on va trouver des rouleaux rotatifs.

Dans une coulée continue on va trouver environ 1000 rouleaux actifs. Les premiers rouleaux sont de petites dimensions; plus on va descendre dans la ligne plus le diamètre va augmenter. On passe en général de rouleaux de 100 mm de diamètre tout en haut de la coulée continue à des rouleaux de 300 mm tout en bas de la coulée continue. La particularité des coulées continues est d’avoir une alimentation verticale et une sortie horizontale. Cela signifie que la coulée continue forme une courbe en arc de cercle de 90°.

Autrefois, toutes les coulées continues installées dans les usines de fabrication de produits plats étaient équipées de rouleaux monoblocs dont la longueur était égale à la largeur de la brame à fabriquer. Depuis une vingtaine d’années, la technologie des rouleaux divisés a remplacé progressivement l’ancienne technologie. Cette technologie a permis de limiter les phénomènes de corrosion sous tension entraînant des casses de rouleaux. Il s’agit en fait de mettre des paliers intermédiaires sur l’arbre support des rouleaux limitant ainsi la flexion au centre des rouleaux.

Mais du coup quelle est la nature des contraintes que subissent les rouleaux aujourd’hui?

En réalité, les contraintes diffèrent en fonction de la position des rouleaux.

Dans la partie haute où la solidification a à peine commencé, les contraintes mécaniques sont faibles mais la température très élevée. D’autant que les premiers rouleaux sont refroidis par l’extérieur avec une eau d’usine qui est souvent loin d’être neutre. La présence de chlore dans l’eau provoque des attaques corrosives de type chlorée auxquelles peuvent s’ajouter des attaques de type sulfurées.

Dès que l’on descend dans la courbe, la brame se solidifie et les contraintes mécaniques augmentent. Rapidement on va trouver dans la courbe des rouleaux qui vont être soumis à une abrasion métal/métal, d’autant plus prononcé que la solidification se fait. Il ne faut néanmoins pas négliger les contraintes d’oxydation de surface à haute température car même si les rouleaux sont refroidis efficacement, la peau en contact avec la brame présente une température qui est très élevée sur quelques dixièmes de mm.

Le défi pour un sidérurgiste est de pouvoir composer avec des contraintes purement techniques d’usure des rouleaux avec des contraintes liées à la supply chain. Il est en effet assez compliqué de suivre l’ensemble des 1 500 rouleaux qui servent au bon fonctionnement d’une coulée continue.

Idéalement, il faudrait que dans une coulée continue les rouleaux soient rechargés avec le meilleur alliage possible, répondant aux agressions spécifiques en fonction de la position dans la courbe. Cependant, le choix de la plupart des managers de coulées continues est de privilégier un alliage plutôt qu’un autre pour l’ensemble de la ligne.

Si je comprends bien Sébastien, il existe donc de nombreux alliages différents que l’on peut utiliser. Guy, tu pourrais nous en dire plus sur ces fils?

Oui Jennifer, comme l’a bien expliqué Sébastien, il y a globalement 3 secteurs différents. Le secteur de la sortie de lingotière suivi de la partie verticale ou du début de la courbe pour laquelle nous proposons soit des alliages type TOPZONE et CORRESIST, puis le secteur de la zone de courbure où notre alliage de prédilection est notre CHROMECORE 414N puis la zone horizontale où les alliages les plus efficaces sont les CHROMECORE 414MM et CHROMECORE 414DN.

Comme tu l’as dit juste avant Sébastien, la plupart des sidérurgistes font le choix de ne prendre qu’un alliage. Ce choix est compréhensible d’un point de vue gestion mais ne l’est   pas d’un point de vue performance globale.

C’est pour cela que ce podcast est l’occasion idéale pour parler de notre nouvel alliage baptisé CHROMECORE 414NX et qui présente les avantages cumulés des fils CHROMECORE 414N et 414MM. Le but recherché est d’avoir une excellente performance à la corrosion pour la partie haute et une dureté plus franche pour la partie basse.

Qu’est-ce qui explique que ce fil répond à toutes les exigences?

C’est à la fois simple et compliqué. Donc je vais vous faire la version simple.

Pour avoir une bonne performance à la corrosion il faut avoir un carbone bas dans un alliage type inoxydable martensitique, et pour avoir une bonne performance à l’abrasion métal/métal il faut avoir un carbone élevé. Le CHROMECORE 414NX possède un carbone élevé pour répondre à la problématique de l’abrasion métal/métal et l’apport de terres rares augmente la capacité de formation du film d’oxydes, garant de la performance à la corrosion.

Cet alliage a donc la double compétence de résister à la corrosion et au frottement métal/métal. Pour les utilisateurs qui ne veulent utiliser qu’un seul fil pour simplifier la gestion des rouleaux c’est le produit idéal.

C’est vraiment fantastique, mais j’imagine que le gap de prix est important pour cette technologie de rupture.

En réalité, c’est moins une technologie de rupture qu’une adaptation fine aux besoins de nos clients. Je m’explique. Nos clients veulent gagner en performance en maîtrisant leur budget. Le rôle d’une société comme la nôtre est d’entendre cette demande et de s’y conformer.

L’idée sous-jacente est d’offrir bien plus qu’un fil. La naissance du CHROMECORE 414NX s’inscrit en réalité dans une réflexion plus vaste que la simple innovation d’un alliage. Il s’agit de prendre en compte la problématique globale de gestion d’une coulée continue.

Est-ce que tu peux être plus précis?

Oui bien sûr. Le nom du projet est le projet SMART WELDING. Il s’agit pour nous, fabricant de fils et de machines de soudage dédiés aux applications de rechargement et qui sommes acteurs dans l’industrie sidérurgique depuis plus de 50 ans, de mettre au service de nos clients notre expertise dans plusieurs domaines:

• L’analyse des spécifications de soudage de nos clients
• La proposition d’alliages les plus adaptés aux contraintes
• Le suivi de la performance de production des rouleaux en fonctionnement
• L’assurance d’une utilisation optimum des machines de rechargement voire même la fourniture de nouvelles technologie de rechargement

L’ambition de ce projet est très simple. Faire gagner le plus d’argent possible à nos clients. Donc in fine, le prix du fil n’est plus une donnée d’entrée mais simplement un élément économique parmi beaucoup d’autres permettant de créer un écosystème vertueux.

Le plus intéressant dans la démarche c’est qu’elle s’adresse à chaque usine de manière individuelle et spécifique.

A part la question du prix fil, est-ce que tu peux nous donner un autre levier qui permettrait d’optimiser son budget de maintenance?

Comme tu peux l’imaginer, il en existe beaucoup. Je choisirai donc le procédé de soudage.

Dans les ateliers de rechargement il existe deux procédés de soudage. Le premier est le rechargement sous flux et le second est le rechargement open-arc.

Le premier consiste à recouvrir l’arc de soudage par un flux solide, ce qui induit un fort taux de dilution. Le second consiste en un arc ouvert conduisant à une dilution moins forte. Dans les deux cas, le taux de dépôt est élevé mais les utilisateurs préfèrent en général le procédé sous flux du fait de l’arc fermé.

Sébastien, j’ai deux questions pour toi. Pourquoi tout le monde ne soude pas en open arc et pourquoi tu dis que le fil de sous couche ne devrait pas être le même?

Jennifer, une question à la fois s’il te plaît. Je vais d’abord répondre à ta deuxième question.

Tout à l’heure, j’ai dit que la dilution du procédé sous flux était plus importante que la dilution du procédé open arc, mais je n’ai pas précisé les valeurs. Le procédé sous flux va présenter un taux de dilution de 40 à 55%. La variation venant de la température de préchauffage, de la taille des pièces à souder, du nombre de tête de soudage, des paramètres de soudage et de la position de la tête de soudage. Le procédé open arc va présenter un taux de dilution de l’ordre de 25 à 35% suivant les mêmes variables.

On comprend bien qu’avec le même métal de base et le même fil de soudage et avec une dilution différente on va avoir un résultat différent.

Et pour répondre à ta première question, parfois le confort du soudeur peut aller à l’encontre de la performance économique.

On sait que le taux de dépôt du procédé open arc aux paramètres de soudage habituellement utilisés est supérieur à celui du procédé sous flux. Le procédé est plus économique, car pour le procédé sous flux il faut ajouter le prix du flux.

La géométrie finale du cordon permet de faire de substantielles économies d’usinage. Mais surtout, le procédé open arc permet d’utiliser un fil de sous couche moins allié, très utile quand on est à la recherche d’un dépôt soudé parfaitement homogène.

Sébastien, tu nous parles de dilution mais c’est quoi au juste?

Tu as raison Jennifer, une petite précision s’impose. Le taux de dilution c’est le taux de participation du métal d’apport au métal fondu qui lui-même est le résultat du mélange du métal de base avec le métal d’apport. Si tu veux une image c’est comme quand tu mélanges de l’eau et du sirop de menthe. Si tu mets 50% de sirop tu n’auras pas la même chose que si tu mets 30% de sirop.

Donc si je reviens à la métallurgie et que mon souhait est d’avoir une chimie spécifique à l’arrivée, je dois partir de mon métal de base et de mon procédé de soudage pour déterminer la chimie de mon métal d’apport, donc de ma sous-couche.

Historiquement les fils de sous couche développés pour le rechargement des rouleaux de coulée continue sont des fils avec 17% de Chrome. Cela devait permettre d’atténuer l’effet de la dilution. A cette époque-là les rouleaux n’étaient pas des rouleaux divisés et la plupart des machines de rechargement étaient des machines avec procédé sous flux. La plupart des rouleaux étaient rechargés non pas avec 2 ou 3 couches mais parfois jusqu’à 9 couches. La valeur intrinsèque des rouleaux était telle que le rechargement même multicouche avait du sens.

Avec l’apparition des rouleaux divisés, le prix des rouleaux a diminué et proportionnellement la valeur du rechargement est devenue prépondérante. Il est donc essentiel que tous les efforts portent sur la performance de l’alliage et sur les coûts du rechargement.

Soit on garde un procédé de soudage sous flux avec un fil de sous couche classique, mais on perd en performance, soit on adapte la chimie de la sous-couche et on augmente le prix du fil. La bonne solution est de souder avec un procédé à faible dilution et fort taux de dépôt pour avoir la meilleure performance au moindre coût.

Tu l’auras compris Jennifer le but du SMART WELDING est d’opposer la stratégie actuelle du millefeuille à celui d’un dépôt homogène dans toute son épaisseur avec l’alliage le plus adapté aux contraintes.

Mais financièrement cela représente quoi cette économie?

Si tu considères le marché global du rechargement de coulée continue en Europe, il y a 1500 tonnes utilisées pour recharger les rouleaux de façon préventive ou curative. Pour une économie moyenne de 2,5€/kg  cela fait une économie potentielle de 3,75M€. A cela s’ajoutent les économies liées à la qualité du dépôt induisant moins de dépôt et moins d’usinage. Pour un dépôt moyen de 9 mm au rayon, on peut réduire de 1 mm au rayon soit une économie de 170 tonnes de fil soit plus de 10% d’économie. Cette économie financière est également une économie de matériau à une époque où la notion de rareté et d’empreinte écologique est toujours plus sensible.

Sébastien, je comprends bien la notion d’empreinte écologique mais que veux-tu dire par la notion de rareté?

En réalité, et même si l’acier se recycle à hauteur de 87%, la quantité d’acier recyclée ne suffira pas à fournir la totalité de la demande d’acier dans le monde. Si on veut participer activement à la décarbonation de l’industrie sidérurgique, il est urgent et nécessaire de n’utiliser que ce qui est absolument utile et donc si je veux aller plus loin, de préférer le rechargement technique au remplacement par des rouleaux neufs.

Ok pour la qualité et les économies, mais si je te suis bien le procédé open-arc est vu par les opérateurs comme moins confortable par rapport au procédé sous flux.

En réalité Jennifer, les machines conçues et développées par Welding Alloys permettent de gérer les fumées de soudage directement à la source. Le traitement des fumées se fait directement après la captation. L’arc électrique est lui-même confiné derrière une boîte et ne peut en aucun cas perturber les opérateurs placés près ou à proximité de la machine.

D’accord, en parlant de machines, c’est quoi le futur proche pour Welding Alloys?

De notre point de vue, la prochaine machine Welding Alloys, en plus des avantages d’aujourd’hui, sera capable de préparer mécaniquement la zone à recharger, de souder de manière totalement autonome avec un programme écrit à distance, d’enregistrer tous les paramètres de soudage et de prévenir directement le manager en cas d’incident et bien sûr de stopper l’opération de soudage si cela devait conduire à un défaut sur la pièce à traiter.

Elle sera également capable de traiter mécaniquement à chaud le rouleau pour que les opérations de rechargement et de finition soient menées simultanément. Elle permettra à l’opérateur d’être à l’extérieur de l’enceinte confinée pour travailler à la préparation des rouleaux à venir et/ou de piloter une autre machine de rechargement ou d’usinage. Et enfin, elle pourra être dotée de procédés de soudage innovants permettant de traiter des rouleaux de petits diamètres.

Merci à vous pour ce tour d’horizon. Je vous dis à très bientôt pour un nouveau podcast.