Brevet FR2792561A1 — publié le 20001027

4vg 2792561 PROCEDE DE COULEE CONTINUE ENTRE CYLINDRES DE BANDES D'ACIER INOXYDABLE FERRITIQUE EXEMPTES DE MICROCRIQUES 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 ferritique dont l'épaisseur est de l'ordre de quelques mm, par le procédé dit de " coulée entre cylindres ". Ces dernières années ont vu s'accomplir des progrès sensibles dans le développement des procédés de coulée de minces bandes 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 o la distance entre les cylindres est minimale. Un des principaux problèmes rencontrés lors de la fabrication de bandes minces d'acier inoxydable ferritique 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 jtm et une ouverture d'environ 20 tam. Leur apparition est liée aux conditions de contact, lors de la solidification, entre l'acier et la surface des cylindres sur la longueur de leur arc de contact. Ces conditions peuvent être décrites comme comportant deux étapes successives. La première étape concerne le 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, o 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 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. 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. Les solutions évoquées dans le cas des aciers au carbone s'appuient sur la nécessité d'une bonne maîtrise des échanges thermiques entre l'acier et la surface des cylindres. On cherche, en particulier, à augmenter le flux thermique extrait de l'acier, à l'amorce de sa solidification, par les cylindres de coulée. Dans ce but, le document EP- A-0 732 163 propose d'utiliser des cylindres à très faible rugosité (Ra inférieur à 5 gm), en les associant à une composition de l'acier et à des conditions d'élaboration qui favorisent la formation, au sein du métal, d'oxydes liquides qui viennent mouiller les interfaces surface de l'acier/cylindre. En ce qui concerne les aciers inoxydables austénitiques, le document EP-A-0 796 685 enseigne de couler un acier dont le rapport Creq/Nieq 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 plm et de profondeur 20-150 p.m et en inertant l'espace de coulée avec un gaz soluble dans l'acier, ou un mélange de gaz composé majoritairement d'un tel gaz soluble. Pour les aciers inoxydables ferritiques, le document JP-A-5337612 propose de couler un acier à basses teneurs en carbone (moins de 0,05%) et azote (moins de 0,05%) et contenant du niobium (0,1 à 5%) et du titane. Il faut également refroidir la bande en sortie des cylindres à une vitesse élevée, et contrôler ensuite la température de bobinage de la bande. Ces conditions d'élaboration et de coulée sont coûteuses et contraignantes, et les caractéristiques particulières des nuances exigées limitent les domaines d'emploi des produits ainsi obtenus. Le but de l'invention est de proposer un procédé de coulée de bandes minces en acier inoxydable ferritique dont la surface serait exempte de microcriques. Ce procédé ne nécessiterait pas de conditions de coulée particulièrement contraignantes pour sa mise en oeuvre, et pourrait s'appliquer à une large gamme de nuances de tels aciers. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de coulée continue d'une bande d'acier inoxydable ferritique d'épaisseur inférieure ou égale à 10 mm directement à partir de métal liquide entre deux cylindres à axes horizontaux refroidis et mis en rotation, caractérisé en ce que: - le métal liquide a la composition en pourcentages pondéraux C% + N% yp = 420 C% + 470 N% + 23 Ni% + 9 Cu% + 7 Mn% - 11,5 Cr% - 11,5 Si% - 12 Mo% - 23 V% - 47 Nb% - 49 Ti% - 52 Al% + 189; - la rugosité Ra des surfaces desdits cylindres est supérieure à 5 gm; - on utilise au voisinage du ménisque du métal liquide présent entre les cylindres un gaz d'inertage composé à au moins 60% en volume d'un gaz soluble dans l'acier. Comme on l'aura compris, l'invention consiste à combiner des conditions sur la composition du métal, régissant les possibilités de formation d'austénite à haute température postérieurement à la solidification du métal, une condition sur la rugosité minimale des surfaces de coulée et une condition sur la composition du gaz d'inertage. En respectant cette combinaison, on parvient à éviter la formations de microcriques en surface de la bande sans pour autant devoir imposer des limitations trop contraignantes au process de coulée et sans restreindre trop largement les domaines d'utilisation des produits qui seront fabriqués à partir des bandes coulées. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit. Un des paramètres essentiels de la réussite d'une coulée de bandes minces entre cylindres est la maîtrise des échanges thermiques entre la bande en cours de solidification et les cylindres. Une bonne maîtrise de ces transferts exige que les conditions d'adhérence des peaux solidifiées sur les parois des cylindres soient connues et reproductibles. Or, lors de la coulée des bandes d'acier inoxydable ferritique contenant 11 à 19% de chrome, il se produit après la solidification complète de la peau contre le cylindre le phénomène suivant. La peau solidifiée présente d'abord une structure entièrement ferritique (phase 8), puis au cours de son refroidissement, alors qu'elle adhère toujours à la surface du cylindre, elle subit une transformation de phase ferrite 8-austénite y dans une gamme de températures de 1300- 1400 C. Cette transformation de phase provoque des contractions locales du métal, résultant des différences de densité entre ces deux phases qui sont sensibles au niveau microscopique. Ces contractions peuvent être suffisamment importantes pour entraîner des pertes locales de contact entre la peau solidifiée et la surface du cylindre. Comme on le comprend, ces pertes de contact modifient radicalement les conditions locales des transferts thermiques. Conjointement à l'état de surface des cylindres et à la nature du gaz d'inertage présent dans les dépressions de ladite surface, l'ampleur de cette transformation de phase, liée à la composition du métal, influence donc l'intensité des transferts thermiques. L'ampleur de la transformation de phase 8 -> y dans les aciers inoxydables ferritiques peut être décrite par l'indice yp. Celui-ci représente la quantité maximale d'austénite présente dans le métal à haute température. Cet indice yp est calculé, de manière connue, à partir de la composition du métal, selon la relation dite " de Tricot et Castro " (les pourcentages sont des pourcentages pondéraux): yp = 420 C% + 470 N% + 23 Ni% + 9 Cu% + 7 Mn% - 11,5 Cr% - 11,5 Si% - 12 Mo% - 23 V% - 47 Nb% - 49 Ti% - 52 Al% + 189 Lors des études qui ont conduit à l'invention, on s'est aperçu que la valeur de yp constituait un bon indicateur du niveau du flux thermique extrait par les cylindres de coulée lors de la solidification, toutes choses étant égales par ailleurs. Le flux thermique extrait du métal par les cylindres peut être quantifié expérimentalement par une valeur moyenne, calculée à partir d'une mesure de l'échauffement du fluide de refroidissement des cylindres. L'expérience montre que le flux thermique moyen extrait du métal par les cylindres est d'autant plus faible que l'indiceyp a une valeur élevée. Une condition nécessaire pour éviter l'apparition de criques sur des bandes minces en acier inoxydable ferritique coulées entre cylindres est que, lors du contact initial entre le métal liquide et les cylindres, le flux thermique extrait soit élevé. A cet effet, il est préférable que le gaz d'inertage environnant la surface du métal liquide au voisinage du ménisque (nom que l'on donne à l'intersection entre les surfaces du métal liquide et des cylindres) contienne un gaz soluble dans l'acier, ou soit entièrement constitué par un tel gaz. On utilise classiquement à cet effet de l'azote, mais l'utilisation d'hydrogène, d'ammoniac ou de CO2 serait aussi envisageable. Comme gaz insoluble assurant l'éventuel complément à 100% de l'atmosphère d'inertage, on utilise classiquement de l'argon, mais l'utilisation d'un autre gaz insoluble, tel que l'hélium, serait aussi envisageable. Avec un gaz majoritairement soluble dans l'acier, on réalise un meilleur contact entre l'acier et le cylindres, car un gaz insoluble modère davantage qu'un gaz soluble la pénétration du métal dans les dépressions de la surface du cylindre. De même, une faible rugosité de la surface des cylindres procure un flux thermique élevé car il en résulte un contact étroit entre le cylindre et le métal. Toutefois, postérieurement à l'initiation de la solidification, un flux thermique moyen très élevé augmente les risques d'hétérogénéités entre les valeurs locales de ce flux. Or, ces hétérogénéités peuvent être à l'origine de criques superficielles sur la bande, car elles provoquent des tensions entre les différentes zones de la surface, qui est encore fragile. Il y aurait donc, si possible, un compromis à trouver entre les différents impératifs à respecter sur les conditions de coulée, si on veut éviter la formation de microcriques lors de toutes les étapes de la solidification et du refroidissement des peaux contre les cylindres. A cet effet, on a expérimenté différentes conditions de coulée de bandes d'acier inoxydable ferritique à partir de métal liquide. Les expériences ont eu lieu en coulant des bandes de 2,9 à 3,4 mm d'épaisseur entre des cylindres dont les surfaces extérieures refroidies par circulation interne d'eau étaient en cuivre et revêtues de nickel. Le tableau 1 suivant montre les compositions du métal coulé lors des différents essais (désignées de A à F), et les valeurs de l'indice yp correspondantes, et le tableau 2 présente les résultats obtenus lors des différents essais, en termes de qualité de surface obtenue, en fonction de la composition de l'acier, de la composition du gaz d'inertage et de la rugosité des cylindres. Ce dernier paramètre est représenté par la rugosité moyenne Ra, définie selon la norme ISO 4287-1997 par la moyenne arithmétique des écarts du profil de rugosité sur la ligne moyenne au sein de la course de mesure 1m La ligne moyenne est définie comme étant la ligne, produite par filtrage, qui coupe le profil palpé de telle sorte que les surfaces qui lui sont supérieures soient égales à celles qui lui sont inférieures. Selon cette définition: X=lm Ra= = I n lm Xyldx C% Mn% P% S% Si% Ni% Cr% Cu% Mo% Nb% V% Ti% N% Al% Y,% A 0,046 0,415 0,028 0,0012 0,191 0,319 16,08 0,083 0,119 0,006 0,062 0005 00 0,005 52,1 B 0,043 0,420 0,027 0,0023 0,214 0,335 16,30 0,091 0,023 0,002 0.076 0,002 0,041 0,003 45,7 C 0,038 0,320 0,023 0,008 0,448 0,142 16,67 0,059 0,152 0,003 0. 074 0,007 0,042 0,008 29,5 D 0,051 0,392 0,029 0,0012 0,210 0,550 16,02 0,90 0,150 0,007 0, 053 0,005 0X055 0,004 62,0 E 0,041 0,404 0,024 0,004 0,247 0540 16,34 0,037 0,052 0,005 0 063 0 0,030 0 _ 04 42,3 F 0,012 0,290 0,015 0,0013 0,560 0,090 11,50 0,022 0,001 0,002 0,079 0,178 0010 0005 53,4 Tableau 1 Compositions des aciers coulés lors des essais Acier y, (%) N2% dans gaz d'inertage Ra (gm) Qualité de surface A 20 microcriques A 52,1 50 7 microcriques A 60 pas de microcriques A 95 _ __ pas de microcriques B 20 microcriques B 45,7 50 11 microcriques B 60 pas de microcriques B 95 pas de microcriques C 20 microcriques C 29,5 60 8,5 microcriques C 95 microcriques D 62,0 90 __ 7,5 microcriques E 42,3 90 4 microcriques F 53,4 _ 60. 7 pas de microcriques s Tableau 2: Influence des paramètres de coulée sur la présence de microcriques Pour les aciers A, B et F, les microcriques sont absentes lorsque la teneur en azote du gaz d'inertage est d'au moins 60%. Tous ces aciers ont un indice yp de 45,7 à 53,4%, et ont été coulés avec des cylindres ayant un Ra de 7 ou 11 gm. L'expérience menée sur l'acier C montre que, même avec un Ra de 8,5 lm et un gaz d'inertage riche en azote, on obtient systématiquement des microcriques lorsqu'on coule un acier dont l'indice yp est bas (29,5%). L'expérience menée sur l'acier D, dont l'indice yp est de 62,0%, montre qu'à l'inverse, on obtient aussi des microcriques lorsque l'acier coulé a un indice yp très élevé. L'expérience menée sur l'acier E montre que même lorsque les conditions de composition de l'acier et d'inertage sont convenables au vu des essais précédents, une faible rugosité des cylindres (Ra de 4 lim) conduit à l'apparition de microcriques. On explique ces différents résultats de la manière suivante. Pour obtenir une bande exempte de criques, il faut en premier lieu que le flux thermique extrait lors du premier contact entre le métal et le cylindre soit élevé. Si le gaz d'inertage n'est pas suffisamment soluble dans l'acier, le flux thermique moyen extrait est trop faible, l'acier ne se solidifie pas de façon assez homogène et cela favorise l'apparition de microcriques. De ce point de vue, il serait a priori également désirable d'avoir une rugosité des cylindres faible. Mais si la rugosité Ra est trop faible, le nombre et la surface totale des sites d'amorçage de la solidification devient très élevé, ce qui conduit à un refroidissement trop brutal qui provoque l'apparition de microcriques. De plus, il faut aussi tenir compte des conditions requises par les étapes suivantes du processus de solidification et de refroidissement des peaux. L'expérience montre qu'en combinant une teneur en gaz soluble d'au moins 60% dans le gaz d'inertage et une rugosité des cylindres Ra supérieure à 5 gim, on obtient des résultats satisfaisants. Dans la suite du processus de solidification et de refroidissement des peaux contre les cylindres, il faut, comme on l'a dit, éviter d'avoir un flux extrait trop intense afin d'éviter les hétérogénéités thermiques, qui sont elles aussi sources de microcriques. De ce point de vue, la rugosité minimale Ra de 5 itm se justifie en ce que les pics de rugosité servent de sites d'amorçage et de développement de la solidification, et les parties en creux, dans lesquelles le métal pénètre sans forcément aller jusqu'au fond des creux, agissent comme des joints de contraction, absorbant les variations de volume de la peau lors de sa solidification et de son refroidissement. Il n'est, cependant, pas conseillé d'avoir une rugosité Ra supérieure à 20 gm, car sinon la rugosité qui se retrouve imprimée " en négatif)" sur la surface de la bande est élevée, et sera difficile à réduire lors des étapes ultérieures de laminage et transformation à froid. On risquerait, donc, de se retrouver avec un produit final dont l'aspect de surface ne serait pas satisfaisant. La rugosité des cylindres recherchée peut être obtenue par tout moyen connu à cet effet, tel qu'un grenaillage, un usinage laser, une opération de photogravure, d'électroérosion, etc. Une forte valeur de l'indice yp imposée par la composition du métal, amplifie la transformation 5 -> y sur l'ensemble de l'arc de contact. Les peaux solidifiées sont donc soumises, sur ledit arc de contact, à des décollements qui modèrent le flux thermique extrait et le maintiennent à un niveau convenable, sans pour autant conduire à des microcriques qui seraient dues à la fragilité de la peau, lorsque celleci est déjà suffisamment solidifiée. L'expérience montre que la limite inférieure à fixer pour l'indice yp est de 35%. Au-delà d'un indice yp de 60%, les décollements provoqués par la transformation 6 --> y deviennent trop importants, et conduisent à l'apparition de microcriques par fragilisation excessive des peaux. L'invention réalise donc un compromis entre des exigences parfois contradictoires, dictées par la nécessité d'éviter la présence sur la bande coulée de microcriques superficielles, dont les mécanismes de formation sont multiples. Elle permet de se passer de la présence obligatoire d'éléments d'alliage coûteux (des éléments stabilisants tels que l'aluminium, le titane, le zirconium, le niobium peuvent être présents de manière optionnelle). De même elle ne nécessite pas de conditions de refroidissement et de bobinage particulières de la bande après que celle-ci a quitté les cylindres. REVENDICATIONS 1) Procédé de coulée continue d'une bande d'acier inoxydable ferritique d'épaisseur inférieure ou égale à 10 mm directement à partir de métal liquide entre deux cylindres à axes horizontaux refroidis et mis en rotation, caractérisé en ce que: - le métal liquide a la composition en pourcentages pondéraux C% + N% yp = 420 C% + 470 N% + 23 Ni% + 9 Cu% + 7 Mn% - 11,5 Cr% - 11,5 Si% - 12 Mo% - 23 V% - 47 Nb% - 49 Ti% - 52 Al% + 189; - la rugosité Ra des surfaces desdits cylindres est supérieure à 5 Hm; - on utilise au voisinage du ménisque du métal liquide présent entre les cylindres un gaz d'inertage composé à au moins 60% en volume d'un gaz soluble dans l'acier. 2) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le gaz d'inertage est un mélange d'azote et d'argon, dans des proportions respectives de 60100% et 0-30%. 3) Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la rugosité Ra des surfaces des cylindres est comprise entre 5 et 20 $im.