[0001] L'invention concerne la coulée continue des métaux, et plus précisément la coulée
continue, directement à partir de métal liquide, de bandes d'acier inoxydable de type
austénitique dont l'épaisseur est de l'ordre de quelques mm, par le procédé dit de
« coulée entre cylindres ».
[0002] Ces dernières années ont vu s'accomplir des progrès sensibles dans le développement
des procédés de coulée de bandes minces d'acier au carbone ou inoxydable directement
à partir de métal liquide. Le procédé principalement utilisé aujourd'hui est la coulée
dudit métal liquide entre deux cylindres refroidis intérieurement, tournant autour
de leurs axes horizontaux dans des sens opposés, et disposés en regard l'un de l'autre,
la distance minimale entre leurs surfaces étant sensiblement égale à l'épaisseur que
l'on désire conférer à la bande coulée (par exemple quelques mm). L'espace de coulée
renfermant l'acier liquide est défini par les surfaces latérales des cylindres, sur
lesquelles s'initie la solidification de la bande, et par des plaques de fermeture
latérale en réfractaire appliquées contre les extrémités des cylindres. Le métal liquide
initie sa solidification au contact des surfaces extérieures des cylindres, sur lesquelles
il forme des « peaux » solidifiées, dont on fait en sorte qu'elles se rejoignent au
niveau du « col », c'est à dire de la zone où la distance entre les cylindres est
minimale.
[0003] Un des principaux problèmes rencontrés lors de la fabrication de bandes minces d'acier
inoxydable par coulée entre cylindres est le risque important d'une apparition sur
la bande de défauts de surface appelés microcriques. Il s'agit de fissures de faibles
dimensions qui sont néanmoins suffisantes pour rendre impropres à l'utilisation les
produits transformés à froid qui en sont issus. Elles se forment au cours de la solidification
de l'acier et ont une profondeur de l'ordre de 40 µm et une ouverture d'environ 20
µm. Leur apparition est liée aux contractions du métal lors de la solidification des
peaux au contact des cylindres, sur la longueur de leur arc de contact. Cette solidification
peut être décrite comme comportant deux étapes successives. La première étape se produit
lors du contact initial entre l'acier liquide et la surface du cylindre, qui entraîne
la formation d'une peau d'acier solide à la surface des cylindres. La seconde étape
concerne la croissance de cette peau jusqu'au col, où comme on l'a dit. elle rejoint
la peau formée sur l'autre cylindre pour constituer la bande entièrement solidifiée.
Le contact entre l'acier et la surface du cylindre est conditionné par la topographie
de la surface des cylindres de coulée, conjuguée à la nature du gaz d'inertage environnant
l'espace de coulée et à la composition chimique de l'acier. Tous ces paramètres interviennent
dans l'établissement des transferts thermiques entre l'acier et le cylindre et régissent
les conditions de solidification des peaux. Lors de la solidification et du refroidissement
des peaux, celles-ci subissent des contractions. Elles dépendent notamment de l'ampleur
de la transformation de phase δ → γ, qui s'effectue avec une variation sensible de
la densité du métal, au niveau microscopique. Elle est déterminée par la composition
du métal coulé. Ces contractions vont, elles aussi, modifier les conditions de solidification
et de refroidissement des peaux.
[0004] Le rapport Cr
eq/Ni
eq est classiquement considéré comme représentatif du chemin de solidification des aciers
inoxydables austénitiques. On le calcule, selon la relation de Hammar et Swensson,
au moyen des formules (les pourcentages sont des pourcentages pondéraux) :
[0005] Diverses tentatives ont été faites pour mettre au point des procédés de coulée entre
cylindres permettant l'obtention, de manière fiable, de bandes exemptes de défauts
de surface rédhibitoires tels que des microcriques.
[0006] En ce qui concerne les aciers inoxydables austénitiques, on peut citer le document
EP-A-0 409 645. Il conjugue une géométrie définie des « fossettes » (gravures en creux
de forme grossièrement circulaire ou elliptique) présentes à la surface des cylindres
avec l'utilisation comme gaz d'inertage d'un mélange gazeux contenant 30 à 90% d'un
gaz soluble dans l'acier, qui garnit les fossettes au moment du premier contact cylindres/acier
liquide. Le document EP-A-0 481 481 conjugue une composition chimique, où l'indice
δ-Fe
cal défini par δ-Fe
cal = 3 (Cr% + 1,5 Si% + Mo%) - 2,8 (Ni% + 0,5 Mn% + 0,5 Cu%) - 84 (C% + N%) - 19,8 est
compris entre 5 et 9%, avec une géométrie de fossettes sur les cylindres, de manière
à favoriser la solidification en ferrite primaire δ → δ + γ. Les fossettes peuvent
classiquement être réalisées par grenaillage ou usinage laser. Dans tous les documents
précédents, il est exigé que ces fossettes soient disjointes les unes des autres.
[0007] Le document EP-A-0 679 114 propose l'utilisation de rainures circonférencielles ménagées
sur la surface des cylindres, qui donnent à ladite surface une rugosité Ra de 2,5
à 15 µm. Elle est conjuguée à une composition chimique de l'acier permettant une solidification
en austénite primaire, caractérisée par un rapport Cr
eq/Ni
eq inférieur à 1,60. Toutefois, la solidification en austénite primaire augmente la
sensibilité à la fissuration à chaud des aciers inoxydables et les risques de formation
de criques longitudinales sur la bande.
[0008] Le document EP-A-0 796 685 enseigne de couler un acier dont le rapport Cr
eq/Ni
eq est supérieur à 1,55 de manière à minimiser les changements de phase à haute température,
et de réaliser cette coulée en utilisant des cylindres dont la surface comporte des
fossettes jointives de diamètre 100-1500 µm et de profondeur 20-150 µm et en inertant
le voisinage du ménisque (l'intersection entre la surface de l'acier liquide et la
surface des cylindres) avec un gaz soluble dans l'acier, ou un mélange de gaz composé
majoritairement d'un tel gaz soluble. Les pics de rugosité servent de sites d'amorçage
à la solidification, alors que les creux de la rugosité constituent des joints de
contraction du métal au cours de la solidification, et permettent une meilleure répartition
des contraintes. Toutefois, lorsque le rapport Cr
eq/Ni
eq est supérieur à 1,70, on ne peut pas toujours éviter la présence de quelques microcriques.
[0009] Le but de l'invention est de proposer un procédé de coulée de bandes minces en acier
inoxydable austénitique dont la surface serait exempte de microcriques et d'autres
défauts majeurs, ne nécessitant pas de conditions de coulée particulièrement contraignantes
pour sa mise en oeuvre, et permettant de couler des aciers ayant un rapport Cr
eq/Ni
eq plus étendu que dans les procédés existants.
[0010] A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de coulée continue d'une bande d'acier
inoxydable austénitique d'épaisseur inférieure ou égale à 10 mm, directement à partir
de métal liquide, entre deux cylindres horizontaux refroidis, caractérisé en ce que
:
- la composition dudit acier, en pourcentage pondéraux, comprend : C% ≤ 0,08 ; Si% ≤1
; P% ≤ 0,04 ; Mn% ≤ 2 ; Cr% compris entre 17 et 20 ; Ni% compris entre 8 et 10,5 ;
S% compris entre 0,007 et 0,040 ; le reste étant du fer et des impuretés résultant
de l'élaboration ;
- le rapport Creq/Nieq est compris entre 1,55 et 1,90, avec :
et
- la surface des cylindres comporte des fossettes jointives de section approximativement
circulaire ou elliptique, de diamètre 100 à 1500 µm et de profondeur 20 à 150 µm;
- le gaz d'inertage environnant le ménisque est un gaz soluble dans l'acier ou un mélange
de tels gaz, ou est constitué au moins par 50% en volume d'un tel gaz ou mélange de
gaz.
[0011] L'invention a également pour objet des bandes pouvant être produites par ce procédé.
[0012] Comme on l'aura compris, l'invention consiste à combiner des conditions portant sur
la composition du métal coulé, l'état de surface des cylindres et la composition du
gaz d'inertage du ménisque, de manière à obtenir une surface de bande exempte de microcriques.
La principale originalité de la composition requise est que le métal doit contenir
une quantité de soufre supérieure aux quantités les plus usuellement rencontrées (sans
être cependant importante au point de compromettre la résistance des produits à la
corrosion), et que cette teneur doit être combinée à une gamme précise de rapports
Cr
eq/Ni
eq.
[0013] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée en
référence aux figures annexées suivantes :
- la figure 1 qui montre vue en coupe une bande d'acier inoxydable austénitique coulée
entre cylindres selon l'art antérieur, et qui met en évidence la morphologie des microcriques
que l'on veut éviter ;
- la figure 2 qui est une courbe montrant l'influence de la teneur en soufre du métal
sur la présence de microcriques à la surface de la bande coulée.
[0014] Les conditions du premier contact entre l'acier liquide et les cylindres constituent
un facteur très important dans le processus de solidification de la bande, et influent
notablement sur la qualité de surface de celle-ci. Leur bonne maîtrise est donc très
importante pour garantir l'absence de microcriques sur la bande coulée. Cependant,
les inévitables fluctuations du niveau de la surface du métal liquide présent entre
les cylindres compliquent cette maîtrise, notamment en ce qu'ils sont source d'irrégularités
dans les échanges thermiques qui ont lieu dans cette zone de premier contact. D'autres
telles irrégularités sont dues, lors des stades ultérieurs de la solidification des
peaux, aux contractions du métal lors de la solidification, qui résultent notamment
des transformations de phase à haute température caractéristiques des aciers inoxydables
austénitiques. Ces contractions peuvent être à l'origine de microcriques. La figure
1 montre une micrographie réalisée sur un échantillon d'une bande mince 1 d'acier
inoxydable austénitique, vue en coupe longitudinale. Cette bande 1 présente sur sa
surface 2 une microcrique 3, du type de celles que l'invention cherche précisément
à éviter. L'attaque métallographique réalisée sur l'échantillon met en évidence une
plage claire 4 située autour de la microcrique 3 et dans son prolongement : elle correspond
à une zone ségrégée enrichie en certains éléments tels que le nickel et le manganèse.
[0015] On a découvert que l'addition au métal liquide d'éléments tensioactifs, tels que
le soufre, qui agissent sur la tension superficielle de l'acier liquide à la surface
des cylindres, a une influence sensible sur les conditions du premier contact entre
le métal et les cylindres de coulée. En particulier, une telle addition permet de
stabiliser très sensiblement la forme du ménisque du métal liquide, grâce à un meilleur
mouillage de la surface du cylindre. Il en résulte une amélioration significative
de l'homogénéité et de la régularité dans le temps des échanges thermiques entre le
métal liquide et la surface des cylindres lors de leur premier contact. Ces effets
ont été mis en évidence par les inventeurs à partir de mesures de la régularité des
épaisseurs de peaux colonnaires réalisées sur des coupes métallographiques en sens
travers de bandes minces brutes de coulée en acier inoxydable austénitique de type
304. Une irrégularité des ces épaisseurs se traduit par une propension élevée de la
bande coulée à présenter des microcriques sur sa surface. En revanche une épaisseur
régulière de la partie colonnaire de la peau solidifiée, qui est l'indice que le niveau
du ménisque n'a que peu varié pendant la coulée, va de pair avec une absence de microcriques
à la surface de la bande.
[0016] La courbe de la figure 2 traduit les résultats de ces investigations, qui ont été
menées sur des bandes d'épaisseur 3 mm coulées à une vitesse de 50 m/min. Les surfaces
des cylindres de coulée étaient rendues rugueuses par des fossettes jointives de profondeur
moyenne 80 µm et de diamètre moyen 1000 µm. La composition des aciers coulés s'inscrivait
dans les limites : C : 0,02-0,06% ; Mn : 1,3-1,6% ; P : 0,019-0,024% ; Si : 0,34-0,45%
; Cr : 18,0-18,7% ; Ni : 8,6-9,8% ; S: 0,0005-0,446%. Les rapports Cr
eq/Ni
eq de ces aciers variaient de 1,79 à 1,85. Le gaz d'inertage environnant le ménisque
contenait 60% en volume d'azote et 40% en volume d'argon. En abscisses figure la teneur
en soufre du métal, en ordonnées un indice représentatif de l'ampleur des fluctuations
du niveau du ménisque lors de la coulée, qui représente l'écart-type sur l'épaisseur
des zones colonnaires observées sur la structure de solidification de la bande. On
voit qu'à conditions de coulée égales, plus la teneur en soufre du métal est élevée,
alors que par ailleurs les teneurs des autres éléments restent similaires, plus les
fluctuations du niveau du ménisque ont une ampleur réduite. A partir d'une teneur
en soufre de 0,007%, cette influence diminue très sensiblement, alors qu'elle est
très nette pour les teneurs plus basses. On se rend également compte que la présence
de microcriques à la surface de la bande est directement liée à ces fluctuations,
et que la limite inférieure de 0,007% pour la teneur en soufre correspond également
au minimum nécessaire pour éviter la formation de microcriques.
[0017] De manière générale, les inventeurs ont déterminé un ensemble de conditions à respecter
pour que la coulée d'aciers inoxydables austénitiques en bandes minces s'effectue
sans formation de microcriques à la surface des bandes, et elles ont été citées plus
haut. Elles se justifient par les considérations suivantes.
[0018] Lorsque la teneur en soufre est inférieure à 0,007%, les fluctuations du niveau du
ménisque deviennent trop importantes, et les irrégularités des transferts thermiques
qui en résultent provoquent la formation de microcriques, en particulier lorsque le
rapport Cr
eq/Ni
eq est supérieur à 1,70. On fixe à 0,04% la limite supérieure de la teneur en soufre
parce qu'au-delà de cette valeur, l'influence de la teneur en soufre sur la stabilité
du ménisque n'augmente plus significativement, et qu'en revanche, on observe un accroissement
des risques de dégradation de la résistance à la corrosion par piqûres du produit
fini fabriqué à partir de ces bandes.
[0019] La teneur en phosphore doit être maintenue à moins de 0,04%, afin d'éviter des risques
de fissuration à chaud des bandes lorsque le rapport Cr
eq/Ni
eq est proche de 1,55, c'est à dire lorsque la solidification s'effectue partiellement
en austénite primaire, et pas majoritairement en ferrite primaire.
[0020] Le rapport Cr
eq/Ni
eq doit être d'au moins 1,55, en ce qu'en dessous de cette valeur, l'acier se solidifie
au moins partiellement en austénite primaire, ce qui augmente la sensibilité à la
fissuration de la bande et favorise l'apparition de criques longitudinales, qui doivent
être absolument évitées, elles aussi. Pour un rapport Cr
eq/Ni
eq supérieur à 1,90, la contraction liée à la transformation ferrite-austénite devient
trop importante, et les microcriques sont alors inévitables. De plus, le taux de ferrite
dans la bande devient trop élevé, ce qui peut entraîner des ruptures après la mise
en forme des produits finis réalisés à partir des bandes ainsi coulées.
[0021] Les autres conditions analytiques sur l'acier coulé sont classiques sur les aciers
inoxydables austénitiques les plus courants, notamment ceux du type 304 et apparentés.
Il est entendu que d'autres éléments que ceux cités explicitement dans ce qui précède
peuvent être présents dans l'acier, au titre d'impuretés ou d'éléments d'alliage en
faible quantité, dans la mesure où ils ne modifieraient pas notablement les conditions
de solidification et la tension superficielle de l'acier liquide à la surface des
cylindres, ce que confirmerait l'absence de microcriques sur les bandes produites.
[0022] Comme on l'a dit, la nature du gaz d'inertage environnant le ménisque a une forte
influence sur les conditions de contact entre l'acier et la surface des cylindres,
notamment sur la manière dont s'effectue le transfert « en négatif» de la rugosité
des cylindres sur la surface de la bande, et sur les risques de formation de microcriques.
Avec un gaz totalement ou majoritairement insoluble dans l'acier, tel que l'argon
ou l'hélium, l'acier en cours de solidification ne pénètre pas ou peu dans les dépressions
de la surface du cylindre. L'extraction de chaleur ne s'effectue donc pratiquement
qu'au droit des pics de rugosité, ce qui la rend très hétérogène sur la surface du
cylindre. Cette hétérogénéité est favorable à l'apparition de nombreuses microcriques.
En revanche, avec un gaz d'inertage contenant une quantité notable d'un gaz soluble
dans l'acier tel que l'azote, l'hydrogène, l'ammoniac le CO
2, a fortiori s'il est constitué dans sa totalité par un tel gaz ou un mélange de tels
gaz, l'acier pénètre bien dans les dépressions de la surface des cylindres, et l'extraction
de chaleur au premier contact est importante. De plus, cela diminue l'hétérogénéité
de l'extraction de la chaleur au droit des pics et des dépressions. Tout cela va dans
le sens d'une limitation des risques de formation de microcriques. Dans la pratique,
compte tenu des autres conditions de coulée exigées pour la composition du métal et
la rugosité des surfaces des cylindres, on fixe à 50% en volume la limite inférieure
de la teneur du gaz d'inertage en un gaz (ou mélange de gaz) soluble dans l'acier.
[0023] Les conditions qui viennent d'être décrites conduisent aux résultats souhaités dans
le cas où les cylindres ont sur leur surface des fossettes jointives d'un diamètre
compris entre 100 et 1500 µm et une profondeur comprise entre 20 et 150 µm.
[0024] Des exemples d'application vont à présent illustrer l'invention et justifier ses
exigences.
Exemple 1 :
[0025] On a coulé entre cylindres des bandes d'acier inoxydable austénitique de 3 mm d'épaisseur.
Les surfaces des cylindres comportaient des fossettes jointives de diamètre moyen
1000 µm et de profondeur moyenne 100 µm. Le gaz d'inertage environnant le ménisque
comportait 40% d'argon et 60% d'azote. La composition de l'acier variait dans les
limites suivantes : C : 0,02-0,06% ; Mn : 1,3-1,6% ; P : 0,019-0,024% ; Si : 0,34-0,45%
; Cr : 18,0-18,7% ; Ni : 8,6-9,8% ; S : 0,0005-0,0446%. Le rapport Cr
eq/Ni
eq des aciers coulés variait de 1,79 à 1,85. On a mesuré la densité surfacique des microcriques
sur les bandes ainsi coulées, et on a confronté les résultats de ces mesures avec
les teneurs en soufre dans les aciers coulés. Le tableau 1 présente les conclusions
des ces essais.
Tableau 1 :
Effet de la teneur en soufre de l'acier sur la densité surfacique de microcriques |
S% |
Nombre de microcriques par dm2 |
0,0005 |
110 |
0,0028 |
75 |
0,0066 |
10 |
0,0075 |
0 |
0,0080 |
0 |
0,0150 |
0 |
0,0388 |
0 |
0,0446 |
0 |
[0026] Dans ces exemples, où le rapport Cr
eq/Ni
eq des aciers coulés était de 1,79 à 1,85 (et ne variait donc que dans des limites très
étroites), il apparaît clairement que la densité de microcriques observées dépend
fortement de la teneur en soufre de l'acier. Pour des teneurs en soufre supérieures
à 0,007%, on n'observe pas de microcriques, alors que pour les teneurs basses et très
basses en soufre, les microcriques sont présentes de manière très significative. C'est
à partir de ces résultats qu'a été établie la courbe de la figure 2.
Exemple 2 :
[0027] On a coulé entre cylindres des bandes d'épaisseur 3,8 mm en acier inoxydable austénitique,
dont les compositions figurent dans le tableau 2. Les cylindres avaient des rugosités
superficielles caractérisées par la présence de fossettes jointives de diamètre moyen
1000 µm et de profondeur moyenne 120 µm.
Tableau 2 :
Composition chimique des aciers de l'exemple 2 |
Acier |
C% |
Mn% |
P% |
S% |
Si% |
Ni% |
Cr% |
Cu% |
Mo% |
N% |
Creq/Nieq |
A |
0,038 |
0,87 |
0,019 |
0,004 |
0,451 |
8,61 |
18,28 |
0,128 |
0,071 |
0,0456 |
1,82 |
B |
0,035 |
0,82 |
0,021 |
0,019 |
0,562 |
8,58 |
18,23 |
0,114 |
0,218 |
0,0535 |
1,85 |
C |
0,015 |
1,57 |
0,020 |
0,005 |
0,510 |
10,16 |
18,25 |
0,108 |
0,082 |
0,0423 |
1,64 |
D |
0,053 |
1,50 |
0,023 |
0,039 |
0,266 |
9,07 |
18,11 |
0,264 |
0,299 |
0,0509 |
1,62 |
[0028] Au cours de la coulée de ces aciers, on a fait varier la composition du gaz d'inertage
présent au voisinage du ménisque en modulant ses proportions respectives en argon
et azote, et on a mesuré sur les bandes coulées la densité surfacique de microcriques
observées, pour les différentes compositions du gaz d'inertage employées. Les résultats
sont regroupés dans le tableau 3 :
Tableau 3 :
Influence de la composition du gaz d'inertage sur la densité surfacique des microcriques
de la bande, selon la teneur en soufre et le rapport Creq/Nieq de l'acier coulé |
Argon % / Azote % |
Acier A microcriques/dm2 |
Acier B microcriques/dm2 |
Acier C microcriques/dm2 |
Acier D microcriques/dm2 |
0/100 |
200 |
0 |
0 |
0 |
10/90 |
290 |
0 |
0 |
0 |
20/80 |
280 |
0 |
0 |
0 |
30/70 |
320 |
0 |
5 |
0 |
40/60 |
330 |
0 |
20 |
0 |
50/50 |
370 |
0 |
40 |
0 |
60/40 |
350 |
5 |
70 |
15 |
70/30 |
|
40 |
110 |
30 |
80/20 |
|
110 |
130 |
120 |
[0029] Ces essais montrent que l'acier A, qui a un rapport Cr
eq/Ni
eq satisfaisant, mais une teneur en soufre faible, conduit systématiquement à la formation
de microcriques en quantités importantes, quelle que soit la composition du gaz d'inertage.
L'acier C a une teneur en soufre légèrement plus forte, et cela suffit à améliorer
sensiblement la qualité de surface de la bande, puisqu'on n'observe pas de microcriques
lorsque la teneur en azote du gaz d'inertage est d'au moins 80%. Cependant, ce résultat
ne peut être considéré comme entièrement satisfaisant, car cette nécessité de maintenir
la teneur en azote du gaz d'inertage à un niveau élevé réduit les possibilités, pour
les opérateurs, de piloter le fonctionnement de l'installation de coulée de façon
fine. En effet, la composition du gaz d'inertage est un paramètre sur lequel on désire
souvent jouer pour maîtriser l'intensité des transferts thermiques entre les cylindres
et le métal, par exemple pour faire varier le bombé des cylindres qui affecte la forme
de la bande (voir le document EP-A-0 736 350). Les résultats obtenus avec l'acier
C font donc conclure qu'une teneur en soufre de 0,005% ne peut entrer dans le cadre
de l'invention.
[0030] En revanche, les bandes coulées avec les aciers B et D ne présentent pas de microcriques
tant que la teneur en azote du gaz d'inertage est d'au moins 50%. Leurs teneurs en
soufre sont respectivement de 0,019 et 0,039%, et leurs rapports Cr
eq/Ni
eq sont respectivement de 1,82 et 1,64. Ces exemples entrent donc bien dans le cadre
de l'invention. L'invention s'applique préférentiellement au cas des aciers présentant
un rapport Cr
eq/Ni
eq compris entre 1,70 et 1,90, car cette gamme correspond à des aciers dans lesquels
on a ajouté moins d'éléments gammagènes (tels que le nickel) que pour les aciers présentant
un rapport Cr
eq/Ni
eq plus faible, et qui sont donc plus économiques à fabriquer.