Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02314830 2005-04-28
1
PROCEDE DE FABRICATION DE BANDES MINCES EN ACIER DE TYPE
TRIP , ET BANDES 11IINCES AINSI OBTENUES
L'invention concerne la coulée continue de bandes minces en acier. Plus
5. particulièrement, elle concerne la fabrication de bandes minces en acier de
type TRIP
directement à partir de métal liquide.
Les aciers désignés habituellement par le terme TRIP (ce terme signifiant
TRansformation Induced Plasticity ) sont des aciers présentant simultanément
une très
haute résistance et une haute ductilité, ce qui les rend particulièrement
aptes à une mise en
forme. Ces propriétés sont obtenues grâce à leur structure microscopique
particulière. Ils
présentent, en effet, au sein d'une matrice ferritique, une phase dure de
bainite et/ou de
martensite, ainsi que de l'austénite résiduelle représentant de 5 à 20% de la
structure. Les
tôles en acier TRIP sont habituellement obtenues soit par la voie coulée
continue de
brames - laminage à chaud (la voie la plus courte, donc la plus économique,
mais qui
procure des produits de relativement forte épaisseur), soit par la voie coulée
continue de
brames - laminage à chaud - laminage à froid - recuit (utilisée pour les
produits de faible
épaisseur). La bainite permet de stabiliser l'austénite.
La réalisation de tôles d'acier TRIP de haute qualité à partir de bandes
obtenues
par la filière coulée continue classique - laminage à chaud est cependant
rendue difficile
par le problème suivant. Après le laminage à chaud de la brame initiale, on
recherche une
stabilisation de l'austénite lors de la transformation bainitique qui se
produit pendant le
bobinage de la bande, celui-ci ayant lieu à une température de 400 C ( 50 C).
Pour
amener la bande laminée à chaud à sa température de bobinage, un
refroidissement par
aspersion d'eau est nécessaire. Or ce refroidissement se produit dans un
domaine de
températures où un phénomène dit de remouillage est susceptible de se
produire. Ce
remouillage est dfl à une instabilité de la vapeur d'eau formée par
caléfaction au contact de
la bande, la vapeur retourrmant pour partie à l'état liquide. Il y a donc
localement des
contacts eau (liquide) - bande au lieu d'un contact eau (vapeur) - bande, et
cela conduit à
des hétérogénéités dans le phénomène de trempe de la bande. Ces hétérogénéités
dans le
refroidissement se traduisent par des hétérogénéités notables dans la
microstructure de la
bande, dont elles altèrent les propriétés mécaniques.
Le but de l'invention est de rendre possible la production fiable de bandes
d'acier
TRIP de haute qualité par une filière de fabrication courte, c'est à dire ne
comprenant pas
d'étape de laminage à froid et recuit.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication de bandes
minces en
acier de type TRIP , selon lequel :
- on coule directement à partir d'acier liquide une bande d'épaisseur comprise
entre 0,5 et 10 mm, preférentiellement 1 à 5 mm, ledit acier ayant la
composition (en
pourcentages pondéraux) C% compris entre 0,05 et 0,25, (Mn + Cu + Ni)% compris
entre
CA 02314830 2000-07-17
2
0,5 et 3, (Si + Al)% compris entre 0,1 et 4, (P + Sn + As + Sb)% inférieur ou
égal à 0,1 ,
(Ti + Nb + V + Zr + terres rares)% inférieur à 0,3, Cr% inférieur à 1, Mo%
inférieur à 1,
V% inférieur à 1, le reste étant du fer et des impuretés résultant de
l'élaboration ;
- on effectue un laininage à chaud en ligne de ladite bande à une température
supérieure à Ia température Ar, dudit acier avec un taux de réduction compris
entre 25 et
.70%, en une ou plusieurs passes ;
- on effectue un premier refroidissement forcé de ladite bande à une vitesse
comprise entre 5 et 100 C/s ;
- on laisse séjourner la bande à des températures comprises entre 550 et 400 C
pendant le temps nécessaire pour que s'y produise une transformation
bainitique avec une
proportion d'austénite résiduelle supérieure à 5%, tout en évitant la
formation de perlite,
puis on interrompt cette transformation par un second refroidissement forcé de
ladite bande
qui l'amène à une température inférieure à 400 C ;
- on effectue un bobinage de ladite bande à une terimpérature inférieure à 350
C.
L'invention a également pour objet une bande mince en acier de type TRIP ,
susceptible d'être obtenue par le procédé précédent.
Comme on l'aura compris, un premier aspect essentiel de l'invention est
l'utilisation d'un procédé de coulée continue de l'acier en bandes minces
directement à
partir de métal liquide, au lieu d'un procédé classique de coulée de brames
destinées à être
laminées à chaud sur un train à bandes. La bande ainsi produite subit un
laminage à chaud
en ligne, puis un refroidissement- qui l'amène dans le domaine de températures
où la
transformation bainitique se produit. C'est seulement une fois que cette
transformation
s'est produite et que la microstructure recherchée, typique des aciers TRIP, a
été obtenue
qu'a lieu un deuxième refroidissement qui interrompt la transformation, et
rapproche la
bande de sa température de bobinage. Celle-ci se situe à une valeur plus basse
que celle des
bandes laminées à chaud produites par le procédé classique, puisque la
transformation
bainitique a déjà eu lieu, et qu'un séjour prolongé de la bande bobinée dans
la gamme de
températures où a eu lieu cette transformation risquerait de conduire à une
évolution
indésirable de la microstructure.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit.
La coulée continue de bandes minces directement à partir de métal liquide est
une
technique qui est expérimentée depuis plusieurs années pour la coulée d'aciers
au carbone,
d'aciers inoxydables et d'autres alliages ferreux, mais elle n'a encore jamais
été employée
pour la fabrication d'aciers de type TRIP. La technique la plus couramment
utilisée en
coulée de bandes minces d'alliages ferreux, et qui est en train de parvenir au
stade
industriel, est la technique dite de coulée entre cylindres , selon
laquelle on introduit du
métal liquide entre deux cyli.ndres rapprochés à axes horizontaux, mis en
rotation en sens
inverses et refroidis intérieurement. L'espace de coulée est obturé
latéralement par des
plaques en réfractaire appliquées contre les faces latérales planes des
cylindres. Des
CA 02314830 2000-07-17
3
peaux de métal solidifié se forment sur chacun des cylindres, et se
rejoignent au niveau
du col (la zone où l'écart entre les surfaces latérales cylindriques des
cylindres est le plus
faible et correspond sensiblement à l'épaisseur désirée pour la bande) pour
former une
bande solidifiée. Avant d'être bobinée, la bande peut ensuite subir divers
traitements
thermiques et/ou thermomécaniques tels qu'un ou plusieurs laminages à chaud,
des
refroidissements, des réchauffages... C'est un ensemble particulier de tels
traitements qui
constitue l'un des éléments essentiels de l'invention.
Selon l'invention, on coule un acier dont la composition est définie comme
suit
(tous les pourcentages sont des pourcentages pondéraux).
Sa teneur en carbone est comprise entre 0,05 et 0,25%. La limite inférieure
est
nécessitée par la stabilisation de l'austénite résiduelle, qui s'effectue lors
du
refroidissement de la bande par rejet de carbone depuis la phase ferritique
dans la phase
austénitique. Au-delà de 0,25%, on considère que la bande n'aura plus une
soudabilité
suffisante pour les applications habituelles des aciers TRIP.
Sa teneur en manganèse est comprise entre 0,5 et 3%. Le manganèse a pour
fonctions de stabiliser l'austénite (c'est un élément gammagène) et de durcir
l'acier. En
dessous de 0,5%, ces effets ne sont pas suffisamment marqués. Au dessus de 3%,
l'effet
gammagène devient trop important pour garantir la formation d'une matrice
ferritique, et
de plus le manganèse ségrège de manière exagérée, ce qui dégrade les
propriétés
mécaniques de la bande. Le manganèse peut être partiellement substitué par du
cuivre et/ou
du nickel qui ont également des effets gammagènes.
D'autre part, on peut optionnellement imposer une teneur en cuivre comprise
entre
0.5 et 2 % (en restant dans le cadre Mn + Cu + Ni compris entre 0.5 et 3 %).
Le cuivre
ajouté permet spécifiquement d'obtenir un durcissement par précipitation. De
plus, le
cuivre étant insoluble dans la cémentite, il permet comme le silicium et
l'aluminium
d'obtenir un effet bénéfique pour. l'austénite résiduelle. D'autre part, les
conditions de
refroidissement rapide imposées par la coulée de bandes minces permettent
d'éviter les
problèmes de dégradation de l'état de surface du produit qui dissuadent de
réaliser cet ajout
de cuivre dans les aciers TRIP produits par les procédés classiques.
Le total de ses teneurs en silicium et aluminium est compris entre 0,1 et 4%.
Ces
éléments empêchent la précipitation de cémentite dans l'austénite et
favorisent la formation
de la ferrite à haute température. Par rapport aux teneurs en silicium
habituellement
rencontrées sur les aciers TRIP (de 0,2 à 1,5%), on notera que le procédé
selon l'invention
peut autoriser des teneurs plus élevées, pour des raisons et dans des
conditions qui seront
vues plus loin.
La teneur cumulée en phosphore, étain, arsenic,antimoine ne doit pas excéder
0,3%, pour limiter la fragilité des produits, et de préférence la teneur en
phosphore ne
dépasse pas 0,05%.
CA 02314830 2000-07-17
4
On peut également ajouter du titane, du niobium, du vanadium, du zirconium ou
des terres rares, à des teneurs dont la somme ne dépasse pas 0,3%. Ces
éléments forment
des carbures, nitnires ou carbonitrures qui bloquent la croissance des grains
à haute
température et augmentent la résistance par l'effet de précipitation.
En$n, il faut éviter une présence trop importante d'éléments qui ralentiraient
la
transformation bainitique. C'est le cas du chrome, du molybdène et du
vanadium. En tout
état de cause, les teneurs de chacun de ces éléments ne doivent pas dépasser
1%.
Optimalement, le total de leurs teneurs ne doit pas dépasser 0,3%, et encore
plus
préférentiellement 0,05%.
Les autres éléments présents dans l'acier sont ceux que l'on s'attend
habituellement à trouver en tant qu'impuretés résultant de l'élaboration, dans
des
proportions qui n'influent pas notablement sur les propriétés recherchées pour
les aciers
TRIP.
Le métal liquide dont la composition répond aux critères précédemment énoncés
est coulé sur une installation de coulée entre cylindres, de manière à former
en continu une
bande solidifiée dont l'épaisseur peut aller de 0,5 à 10 mrn et plus
classiquement aller de 1
à 5 mm. A sa sortie des cylïndres, la bande traverse de préférence une zone
d'inertage, telle
qu'une enceinte étanche, à l'intérieur de laquelle on maintient au
voisinage'de la bande une
atmosphère non oxydante pour le métal, grâce à une insufflation d'un gaz
neutre (azote ou
argon) abaissant la teneur en oxygène à un très bas niveau. On peut aussi
envisager de
conférer à cette atmosphère des propriétés réductrices en y introduisant de
l'hydrogéne.
Le but de cet inertage est d'éviter, ou au moins de limiter sensiblement, la
formation de calamine -à la surface de la bande, dont la présence, lors de
l'étape de
laminage à chaud qui va suivre, conduirait à l'apparition de défauts tels que
des
incrustations de calamine à la surface de la bande. Le dispositif d'inertage
peut être
remplacé ou complété par un dispositif assurant l'enlèvement de la calamine
formée, par
exemple un ensemble de brosses rotatives. Un intérêt de l'utilisâtion d'un tel
dispositif
d'inertage et/ou décalaminage avant le laminage à chaud est qu'il permet
d'augmenter la
teneur tolérable du métal en silicium. En effet, dans le procédé classique de
fabrication des
aciers TRIP par coulée de brames - laminage à chaud, on préfère éviter, le
plus souvent,
d'imposer une teneur en silicium supérieure à 0,25%, car sinon les conditions
de formation
de calamine sont généralement telles que l'on assiste à une apparition
importante de
fayalite (oxyde de fer et de silicium), très difficile à enlever avant le
larni.nage à chaud.
Dans les installations classiques où la coulée des . brames et leur
refroidissement
s'effectuent à l'air libre, les brames coulées, déjà fortement calaminées,
séjournent à la
température ambiante, et doivent être réchauffées dans un four de grande
taille (donc
difficile à inerter) situé hors de la ligne de coulée avant d'être envoyées au
train à bandes.
Pour limiter la formation de calamine fortement chargée en fayalite et obtenir
ainsi un état
de surface correct de la bande, il est doncpréférable, dans la filière
habituelle de fabrication
CA 02314830 2000-07-17
des aciers TRII' laminés à chaud, de limiter la teneur en silicium du métal à
la valeur
précédemment citée, alors que, comme on l'a dit, des teneurs plus élevées
présenteraient
des avantages métallurgiques sensibles. L'utilisation d'une coulée entre
cylindres pourvue
d'un laminoir à chaud en ligne a, de ce point de vue, l'avantage qu'il est
beaucoup plus
5 facile d'empêcher ou de limiter la formation de fayalite sur la faible
distance séparant la
coulée et le laminage (ou d'enlever la fayalite qui a pu se former) que dans
une installation
classique.
Après sa coulée, et après avoir traversé l'éventuelle zone d'inertage,. la
bande est
ensuite laminée à chaud en ligne, de manière connue, pour lui conférer une
épaisseur
comprise généralement entre 1 et 3 mm. Ce laminage doit s'effectuer dans le
domaine
austénitique; donc à une température supérieure à la température Ar3 de la
nuance coulée. Il
est effectué avec un taux de réduction total compris entre 25 et 70%. Le rôle
de ce
laminage à chaud en ligne est double. Il doit d'abord refermer les porosités
qui ont pu se
former au ceeur de la bande lors de sa solidification. Il doit surtout
casser la
microstructure résultant de la solidification, de manibre à l'affiner et à
rendre possible
l'obtention de la microstructure finale désirée. Ce laminage à chaud peut
avoir lieu en une
ou plusieurs passes, c'est à dire par passage de la bande dans une cage de
laminoir unique,
ou par passage de la bande dans plusieurs cages successives, la première
assurant une
réduction faible visant â refermer les porosités, et la oû les suivantes
assurant l'obtention
2o de l'épaisseur définitive. A titre d'exemple, on peut proposer les triplets
(épaisseur
coulée/taux de réduction au laminage à chaud/épaisseur finale) suivants :
Epaisseur de bande initiale Taux de laminage à chaud Epaisseur de bande finale
mm % mm
4 25 3
4 50 2
2 40 1,2
1.5 40 0.9
1 60 0,6
Tableau 1: exemples de triplets (épaisseur coulée/taux de réduction au
laminage à
chaud/épaisseur finale)
Après ce laminage à chaud, on réalise un premier refroidissement forcé de la
bande, par exemple au moyen d'une aspersion d'eau. Ce refroidissement vise à
former au
sein de la bande une structure ferritique, tout en évitant l'apparition de
perlite. A cet effet,
il faut le réaliser à une vitesse comprise entre 5 et 100 C/s,
préférentiellement entre 25 et
80 C/s, ce qui est parfaitement compatible avec les technologies classiques de
refroidissement de bandes ayant les épaisseurs considérées. Une vitesse de
refroidissement
trop faible provoquerait l'apparition de perlite, ce qui rendrait impossible
la transformation
CA 02314830 2000-07-17
6
bainitique qui constitue l'une des caractéristiques essentielles de
l'invention. Une vitesse
de refroidissement trop élevée risque de ne pas permettre d'obtenir la
structure ferritique
telle que recherchée pour la matrice, car on passerait directement dans le
domaine
bainitique, voire dans le domaine martensitique. La gamme de vitesses de
refroidissement
préférentielle permet de mieux assurer l'obtention d'un résultat optimal.
Ce premier refroidissement doit être tel; en vitesse et cn durée, qu'il amène
la
bande dans un état thermique qui autorise un séjour de la bande à l'air dans
le domaine de
températures 550-400 C, préférentiellement 530-470 C (afin d'obtenir le taux
d'austénite
recherché pour des temps de maintien raisonnables, tout en garantissant qu'on
ne formera
1o pas de perlite) pendant le temps nécessaire pour que se produise une
transformation
bainitique stabilisant la proportion d'austénite restante à plus de 5%, tout
en évitant la
formation de perlite. Une fois = ce irésultat obtenu, la bande subit un
deuxième
refroidissement forcé, par exemple par aspersion d'eau, de manière à amener la
bande hors
du domaine de température précédent (donc à moins de 400 C), de préférence
jusqu'à sa
température de bobinage, qui doit être inférieure à 350 C. Ce domaine de
températures de
bobinage est choisi pour éviter toute évolution majeure de la structure de la
bande bobinée,
telle qu'une précipitation de carbures qui déstabiliserait l'austénite.
La durée du séjour de la bande à l'air sans refroidissement forcé nécessaire
pour
obtenir la transformation bainitique telle que souhaitée varie selon les
paramètres de coulée
précis, à savoir la composition de la bande et sa vitesse de défilement dans
la zone de
l'installation correspondante. Cette durée doit être déterniinée
expérimentalement, en
s'aidant des courbes de transformation classiques des nuances d'acier
considérées, et en
fonction du taux d'austénite résiduelle précis que l'ori désire obtenir. Un
taux d'austénite
élevé améliore la ductilité, mais inversement, un taux d'austénite inférieur à
5% en fin de
transformation bainitique procurera une formation de martensite insuffisante
pour obtenir
l'effet TRIP. A titre d'exemple, sur une nuance à 0,2% de carbone, 1,5% de
manganèse et
1,5% de silicium, on obtient une teneur en austénite de 6% pour un maintien de
la bande de
10 s à 470 C ou de 20s à 530 C. Dans la pratique, la durée de ce séjour peut
se situer
généralement entre 5 et 30 s.
Si on prend pour hypothèse que la bande coulée a une épaisseur initiale de 3
mm
et une vitesse de 60 m/min à sa sortie des cylindres (ce qui est courant stir
une installation
de coulée entre cylindres), la vitesse de défilement de la bande laminée à
chaud dans la
zone de transformation bainitique varie selon le taux de laminage à chaud qui
lui a été
appliqué. Le tableau 2 montre des exemples de vitesses de défilement de la
bande dans la
zone de transformation bainitique en fonction du taux de laminage à chaud,
compte tenu
des hypothèses précédentes.
CA 02314830 2005-04-28
7
Taux de lamina e à chaud % Vitesse de la bande m/s
25 1,3
40 1,7
60 25
70 3,3
Tableau 2: vitesses de défilement de la bande dans la zone de transformation
bainitique en
fonction du taux de laminage à chaud (épaisseur coulée 3 mm, vitesse de coulée
60 m/min)
Dans ces conditions, si on décide d'imposer à la bande une température de fin
de
laminage de 900 C, une vitesse de refroidissement daus la première zone
d'aspersion de
50 CJs, un séjour de 10 s à 500 C dans la zone de transformation bainitique et
une vitesse
de refroidissement dans la deuxième zone d'aspersion de 50 C/s pour porter la
bande à
i0 rrioins de 250 C, la bande mettra 20 à 25 s pour parvenir de la-cage de
lami.nage jusqu'à la
bobineuse. Si ces deux organes sont distants d'environ 40 m, ce qui est
raisonnable sur une
installation de coulée entre cylindres habituelle, la vitesse de défilement de
la bande après
son.laaminage doit donc être d'environ 2 m/s, ce qui est parfaitement
compatible avec les
conclusions que l'on tire du tableau 2. Technologiquement, la mise en pratique
du procédé
selon l'invention ne pose donc pas de problème majeur. Pour obtenir le
résultat recherché,
on peut agir aussi sur la longueur des zones de refroidissement et sur le
débit du liquide de
refroidissement dans chacune de ces zones. A cet effet, si les zones de
refroidissement se
composent d'une succession de rampes d'aspersion d'eau, on peut choisir
d'utiliser un
nombre variable de rampes pour régler avec souplesse les longueurs de ces
zones.
On aura compris que l'étape essentielle du procédé selon l'invention est le
séjour
de la bande dans le domaine de transformation bainitique après son laminage à
chaud,
auquel le second refroidissement impose une brève durée, ainsi que la
réalisation du
bobinage dé la bande dans une gamme de températures où la transfornaation
bainitique a
déjà eu lieu. Cela évite que le déroulement de la transformation bainitique ne
soit affecté
par le phénomène de remouillage, et fiabilisel'obtention d'une microstructure
homogène
au sein de la bande. Le fait de réaliser la bande par coulée entre cylindres
(ou, de manière
générale, par coulée directe de bandes minces deO,5 à 10 mm et notamment de 1
à 5 mm
d'épaisseur) et de la laminer à chaud en ligne est une condition quasiment
indispensable à
la viabilité économique de la réalisation de la transformation bainitique dans
ces
conditions. En effet, il serait envisageable de réaliser cette transformation
bainitique par
séjour à 550-400 C pendaut. une à quelques secondes d'une bande sortant d'un
train à
bandes classique. Toutefois, compte tenu des vitesses de défilement de la
bande habituelles
à la sortie d'un train à bandes qui sont nettement plus élevées que les
vitesses de défilement
en sortie d'un laminoir en ligne de coulée entre cylindres, cela nécessiterait
une distance
CA 02314830 2000-07-17
8
démesurée (de l'ordre de 500 m) entre la sortie du train à bande et la
bobineuse. Cela
enlèverait tout intérêt économique à cette solution. De plus, en réalisant le
laminage à
chaud et la transformation bainitique en ligne avec la coulée, on n'a pas
besoin d'un
réchauffage intermédiaire, coûteux en énergie. Enfin, les transformations
métallurgiques
mises en jeu par le procédé selon l'invention, où la température de la bande
ne fait que
décroître entre sa coulée et son bobinage, ne sont pas susceptibles d'être
gênées par des
structures qui auraient été obtenues à la suite d'un premier refroidissement
du produit
jusqu'à la température ambiante et demeureraient au moins à l'état résiduel
après le
réchauffage précédant le laminage à chaud. Cela pourrait être le cas si la
filière de
1o fabrication entre la coulée du demi-produit initial et le bobinage de la
bande définitive
devait être discontinue.
Aprés-leur bobinage, les bandes obtenues par le procédé selon l'invention sont
prêtes à être utilisées de la même manière que les bandes d'acier TRIP de même
composition obtenues par la filière classique coulée continue de brames -
laminage à
chaud.
,.,~.. .~..õ_._.~.
