Le système de coulée excentrée par le bas (EBT) est la norme sur les fours à arc électrique depuis la fin des années 1980, et pourtant, il demeure l'un des points de défaillance les plus fréquents dans leur fonctionnement. Un trou de coulée qui ne s'ouvre pas du premier coup entraîne une perte de 3 à 8 minutes par coulée. Sur un mois de 600 coulées, cela représente 30 à 80 heures de production perdues, soit l'équivalent de 100 à 250 coulées non réalisées.
MONTE INTELLIGENCE conçoit et fournit des systèmes EBT pour des fours d'une capacité de 15 à 120 tonnes. Cet article présente les choix d'ingénierie, les pratiques d'exploitation et les procédures de maintenance qui déterminent la fiabilité des systèmes EBT.
Le concept EBT est simple en théorie. Au lieu de couler par la porte à scories comme sur les anciens fours, le four EBT possède un orifice de coulée situé au fond, décalé par rapport à son axe central. En inclinant le four vers l'avant, cet orifice se trouve sous le niveau du bain d'acier, et l'acier s'écoule par gravité. En l'inclinant vers l'arrière, l'orifice se ferme. On obtient ainsi une coulée sans scories : celles-ci flottent à la surface de l'acier et n'atteignent l'orifice qu'en fin de coulée. Même alors, l'opérateur peut incliner le four vers l'arrière pour stopper l'écoulement avant que les scories ne soient entraînées.
La réalité est plus complexe. Le système EBT doit supporter l'acier en fusion à 1600-1650 °C, résister à la pression hydraulique d'un four plein (environ 0,5 bar au niveau de l'orifice de coulée d'un four de 100 tonnes), maintenir un mécanisme d'ouverture fiable et assurer l'étanchéité aux gaz pendant les phases de fusion et d'affinage.
Le diamètre de l'orifice de coulée est la première décision de conception. Il détermine le débit et la durée de la coulée. Pour un four de 50 tonnes, un diamètre d'orifice de coulée de 80 à 100 mm permet un débit de coulée de 2 à 3 tonnes par minute et une durée totale de coulée de 15 à 25 minutes. Des diamètres plus petits augmentent la fragmentation du jet et l'entraînement d'air. Des diamètres plus grands risquent de provoquer une turbulence excessive dans la poche de coulée, ce qui peut endommager le réfractaire et entraîner une chute de température importante.
Le manchon de coulée est le tube réfractaire consommable qui forme le canal de coulée. Les matériaux disponibles pour ce manchon comprennent l'oxyde de magnésium-carbone (MgO-C), l'oxyde de magnésium-chrome (MgO-Cr₂O₃) et l'alumine-carbone (Al₂O₃-C). Les manchons en MgO-C sont largement utilisés car ils offrent une bonne résistance aux scories et une résistance acceptable aux chocs thermiques. Leur durée de vie typique est de 80 à 150 coulées.
L'usure des manchons n'est pas uniforme. Elle est maximale sur la face chaude (l'extrémité du manchon en contact avec le bain d'acier en fusion), car cette zone est soumise à la température la plus élevée et à la plus forte agression chimique par les scories. Le taux d'usure sur la face chaude peut être 2 à 3 fois supérieur à celui de la face froide (l'extrémité extérieure). C'est pourquoi certains exploitants utilisent un manchon en deux parties, dont la partie chaude peut être remplacée indépendamment du reste du manchon, ce qui permet de réduire le coût total des réfractaires d'environ 20 %.
Le sable de remplissage sert à obturer l'orifice de coulée entre les coulées. Lorsque le four bascule vers l'avant pour la coulée, le sable doit s'écouler librement, permettant ainsi à l'acier de suivre. C'est là qu'intervient la notion de taux d'ouverture libre. Un taux d'ouverture libre de 95 % signifie que 95 coulées sur 100 s'ouvrent du premier coup, sans nécessiter d'injection d'oxygène.
La vitesse d'ouverture libre dépend de trois facteurs : la qualité du sable, la procédure de remplissage et l'état du trou de coulée. La qualité du sable commence par sa composition chimique. Il doit être riche en silice (minimum 97 % de SiO₂) et pauvre en oxyde de fer (maximum 0,5 % de Fe₂O₃). L'oxyde de fer favorise le frittage des particules de sable aux températures d'élaboration de l'acier, ce qui empêche une bonne fluidité. La granulométrie doit être maîtrisée : trop fine, elle entraîne un tassement excessif ; trop grossière, elle permet à l'acier de s'infiltrer entre les particules.
La procédure de remplissage est tout aussi importante. Le sable doit être sec ; l’humidité qu’il contient présente un risque d’explosion de vapeur et favorise le frittage. Le sable doit être versé dans le trou de coulée d’une hauteur suffisante pour obtenir un tassement naturel, généralement entre 500 et 800 mm au-dessus de l’ouverture. Il faut éviter le compactage ; le sable compacté ne s’écoule pas librement. Le sable doit remplir le trou de coulée jusqu’à environ 50 à 100 mm au-dessus de la face chaude du manchon afin d’empêcher l’acier de pénétrer dans le manchon lors de la coulée suivante.
L'état du trou de coulée influe sur la libre ouverture, car une surface de manchon rugueuse ou érodée offre des points d'ancrage mécaniques au sable. Après 20 à 30 coulées, le trou de coulée doit être inspecté à l'aide d'un endoscope. Toute érosion du manchon supérieure à 20 % de son diamètre initial, toute fissure de plus de 50 mm ou toute pénétration de métal dans la paroi du manchon justifie son remplacement.
Le débourrage à l'oxygène est utilisé en dernier recours lorsque l'orifice de coulée ne s'ouvre pas librement. Un tube de débourrage muni d'une buse à oxygène de 6 à 8 mm est inséré par le bas dans l'orifice, et de l'oxygène est insufflé sous une pression de 8 à 12 bars pour éliminer toute obstruction. Le débourrage endommage le réfractaire du manchon – chaque utilisation réduit sa durée de vie d'environ deux à trois coulées – et minimiser le nombre de débourrages constitue donc un avantage économique direct pour maintenir un taux d'ouverture libre élevé.
Le système de vanne est le dispositif mécanique qui empêche l'acier de pénétrer dans l'orifice de coulée pendant la fusion. Deux modèles sont disponibles sur le marché : la vanne coulissante et la vanne rotative. Les vannes coulissantes utilisent une plaque réfractaire qui se déplace horizontalement au-dessus de l'ouverture de l'orifice de coulée. Les vannes rotatives utilisent un cylindre rotatif percé d'un trou traversant. Les vannes coulissantes sont privilégiées dans les grands fours (plus de 80 tonnes) car elles assurent une meilleure étanchéité. Les vannes rotatives sont courantes dans les petits fours car elles coûtent environ 30 % moins cher.
L'entretien de la vanne est une opération systématique. Après chaque coulée, le mécanisme de la vanne doit être inspecté visuellement afin de détecter toute usure du réfractaire, accumulation de métal et fuite du système hydraulique. La course du vérin hydraulique doit être vérifiée par rapport aux spécifications. Tout écart supérieur à 5 mm par rapport à la course nominale indique une usure du mécanisme de liaison.
La fosse EBT, où repose la poche de coulée, nécessite également une attention particulière lors de sa conception. Les projections du jet de coulée peuvent endommager les équipements environnants et présenter un risque pour la sécurité des opérateurs. La fosse doit être revêtue d'un matériau réfractaire coulable capable de résister à un contact direct occasionnel avec l'acier en fusion. Le système de drainage doit éloigner les projections d'acier des câbles électriques et des conduites hydrauliques.
Les systèmes EBT de MONTE INTELLIGENCE sont conçus pour un taux d'ouverture libre supérieur à 95 % avec une utilisation rigoureuse. Notre offre standard comprend le manchon de forage en MgO-C ou en matériau spécifié par le client, le sable de remplissage certifié (composition chimique et granulométrie), le système de vanne avec groupe hydraulique et la supervision complète de l'installation.
Pour toute question concernant les systèmes EBT ou pour discuter de la configuration spécifique de votre fournaise, veuillez contacter helenxu@cnlymonte.com.
