vignette|upright=1.3|Schéma d'une coulée continue moderne.On y voit la poche (1) amenant le métal dans le repartiteur (2), la quenouille (5) régulant le débit d'acier liquide arrivant dans la lingotière (3) et les rouleaux (7) s'opposant aux déformations dues à la pression hydrostatique générée par le métal liquide.
La torche à plasma (4) permet de maîtriser la température de coulée. Le niveau du métal dans la lingotière est mesuré au niveau du ménisque (8), pour permettre la régulation. Le nez de la quenouille est immergé sous le niveau du métal, les impuretés flottent (9) au dessus du métal en sortie de quenouille.
La lingotière est refroidie par circulation d'eau.
La coulée continue est un procédé de solidification du métal en fusion permettant de produire des pièces beaucoup plus grandes que le moule.
Il consiste à remplir de métal liquide un moule énergiquement refroidi (la lingotière), et à extraire simultanément le produit solidifié par l'autre extrémité. Dans la plupart des cas, le produit solidifié est encore liquide à cœur et sa solidification totale se fait de manière contrôlée en aval du moule. L'extraction du produit solidifié étant compensée en permanence par un apport de métal liquide chaud, il est théoriquement possible de couler des ébauches de profilés de longueur infinie, destinées au laminage.
Principes généraux Contexte
vignette|upright=1.5|« Bassin de coulée » de la , en 1918.|alt=photo en noir et blanc d'une halle de coulée en lingot
Les procédés de fabrication continus se prêtent généralement bien mieux que les procédés discontinus à l'instrumentation, l'automatisation et aux gains de productivité. En outre, ils suppriment une bonne partie des régimes transitoires à l’origine de beaucoup de problèmes de qualité. Au sein de la sidérurgie, après que la généralisation du convertisseur, au cours du , a mené à l'élaboration complète de l'acier en phase liquide, . Dans les années 1950, la généralisation du laminage continu à chaud impose une augmentation significative de la taille des complexes sidérurgiques, et exacerbe l'aspect archaïque de l'opération.
Au-delà de cette considération générale, l'opportunité de rationaliser les procédés motive fortement les ingénieurs :
La vraie justification technico-économique de la coulée continue était d’obtenir une ébauche brute de coulée au format le plus proche possible de celui du produit final sortant de l’usine sidérurgique, afin de minimiser le travail de laminage à chaud et en particulier de court-circuiter les cages dégrossisseuses imposées par le format des lingots, ce qui engendrait une simplification très notable des gammes de laminage. En effet, la coulée en lingots imposait presque systématiquement un laminage « en deux chaudes » : le produit (bloom ou brame) sortant du laminoir dégrossisseur (blooming pour les produits longs, slabbing pour les produits plats) devait être réchauffé une seconde fois avant d’entrer dans un train finisseur (train à barres, train à fils, train continu à bandes).
Différences entre métaux ferreux et non ferreux
Les avantages de la coulée continue, évidents, ont fait que les tentatives pour couler le métal en continu se sont multipliées depuis 1840, date à laquelle dépose un brevet relatif à la coulée continue de tuyaux de plomb. Ces recherches, qui ont été notables pendant l'entre-deux-guerres, ont rapidement abouti pour les métaux non ferreux, alors qu'il a fallu attendre les années 1970 pour que la coulée continue devienne un procédé industriel dans la sidérurgie.
+ Différences métallurgiques entre fer et aluminiumAluminiumAcier Acier inoxydable66015351400-14500,3250,7670,3422,3940,3642,5482,367,0220()40()18()45()18()22()
Il a fallu moins de deux décennies pour que la quasi-totalité de l'industrie de l’aluminium soit équipée de coulée continue. Par contre, en sidérurgie, cette période dure presque si on la commence avec le premier prototype de Benjamin Atha aux États-Unis en 1886, ou si on considère le premier démonstrateur industriel chez Böhler à Kapfenberg en Autriche, en 1952. Étant donné l'effort énorme de recherche et de développement consenti par les sidérurgistes, cet écart ne s'explique que par les différences métallurgiques entre l'aluminium et les aciers : la température de fusion de l'acier est très supérieure à celle de la plupart des non ferreux, ce qui contraint fortement le choix des matériaux ; la forte densité de l'acier combinée aux volumes propres à la sidérurgie ne peut que mener à une machine lourde et complexe ; l'importante enthalpie à évacuer est un handicap qui se cumule avec la faible conductivité thermique du fer en fusion.
Durant la période relativement longue d'incubation de la coulée continue de l'acier, c'est-à-dire avant les années 1950, la réussite du procédé dans les non ferreux a apporté des solutions qui ont été essentielles, comme l'entraînement du brin de métal par adhérence afin de vaincre le frottement entre la lingotière et le métal. Par contre, il a fallu mettre au point des solutions spécifiques pour la coulée de l'acier, comme l'oscillation de la lingotière.
Histoire Premières réflexions (avant 1886)
Le premier brevet relatif à la coulée continue date de 1840. Il est déposé par l’américain et consiste en une coulée continue horizontale de tubes en plomb. L'inventeur y développe cependant une mise en pression du plomb fondu qui mêle la coulée continue avec l'extrusion. En 1843 l’américain John Laing brevette un autre principe de coulée continue horizontale de tubes en plomb ou en métaux mous similaires. La mise en forme fait exclusivement appel à la solidification énergique dans une lingotière, et l'inventeur y évoque déjà des améliorations dont l'importance fondamentale sera confirmée ultérieurement : la nécessité de vibrer ou osciller le noyau pour éviter le collage et la maîtrise fine de la température du métal en fusion sont au cœur de son brevet.
En 1857, Henry Bessemer, inventeur fécond, dépose un brevet relatif à la coulée d'acier entre deux cylindres contrarotatifs et vigoureusement refroidis. L'idée, simple en apparence, ne donne cependant lieu à aucun développement : la technologie de l'époque ne propose rien pour garantir l'étanchéité latérale aux cylindres, aucune régulation ne peut gérer un système aussi rapide, les contraintes thermiques sont énormes… De fait, les premiers démonstrateurs de coulée directe de bande mince à partir d'acier liquide n'apparaissent qu'à la fin du et restent limités à des aciers spécifiques. Pour autant, Bessemer parvient à produire des bandes de bronze doré avec son appareil. S'il renonce à développer cette technique, il propose, pour la coulée des lingots, des innovations fondamentales : il développe la régulation du débit avec une quenouille dans un réservoir tampon entre la poche et la lingotière.
Genèse du procédé avec les non-ferreux (1886 – années 1940)
Le tout premier appareil ressemblant à une coulée continue moderne est l'œuvre de Benjamin Atha, de l'Atha & Illingworth Co. à Harrison (New Jersey). Dans son brevet de 1886, on retrouve les dispositifs essentiels : faux lingot, lingotière, réservoir tampon d'alimentation, rouleaux d'extraction Quelques milliers de tonnes de billettes de d'acier à haut carbone pour du fil d'acier sont coulées de 1890 à 1910. Indépendamment, l’allemand R. M. Daelen brevette en 1889 un appareil similaire mais ne réalise aucun essai concret.
La première coulée continue construite par un véritable spécialiste en ingénierie industrielle est l'œuvre du constructeur américain Arthur Glenn McKee, selon un concept de John Thomas Rowley breveté en 1915. Il s'agit d'une machine verticale-courbe, avec un cintrage et un décintrage du brin de métal. Des billettes de et , d'une longueur de sont coulées. Mais la longueur du produit coulé est assez aléatoire car la machine est dépourvue de système de coupe à la volée. Surtout, l'important frottement entre le brin de métal coulé et la lingotière entraîne de fréquents collages et des déchirures du produit.
En 1933, une innovation décisive est expérimentée : l'oscillation permanente de la lingotière. L'idée avait été déjà brevetée par l'américain Cornelius W. van Ranst en 1921, mais aucun essai n'avait validé le concept… et démontré sa pertinence. C'est , le discret manager de la Messingwerk Schwarzwald GmbH, un fournisseur de laiton pour la fabrication de pendules à coucou qui constate l'apport radical de ce perfectionnement. Il en brevette en 1938 un perfectionnement, sous la forme d'un mécanisme fondé sur une came apte à dissocier l'accompagnement du produit de son strippage. C'est la première machine qui permet la production de métaux de qualité de manière simple et répétable.
En 1936, l'ingénieur et homme d'affaires new-yorkais Irving Rossi, convaincu du potentiel de la machine de Siegfried Junghans, acquiert les droits de vente du procédé pour tous les territoires en dehors de l'Allemagne. En 1937, il vend la première machine à la Scovill Manufacturing Co. de Waterbury, une entreprise innovante dans la production du laiton, en particulier dans la coulée continue où elle avait déjà expérimenté le procédé Hazelett. Outre la lingotière oscillante, la machine dispose d'une alimentation en métal liquide particulièrement perfectionnée : la poche de métal se vidange dans un four à induction afin de garantir une parfaite maîtrise de la température de coulée. Ce four est inerté sous pression, afin de pousser le métal en fusion dans un réservoir tampon via un siphon sans entraîner les scories. Ce réservoir tampon, également inerté, est rempli à une hauteur précise afin de maîtriser le débit d'alimentation de la lingotière, qui se fait par écoulement gravitaire via un tube chauffé, la busette. Cette busette permets aussi de traiter un inconvénient de la machine de Junghans : l'essentiel de la solidification se faisant en lingotière, le cœur du produit se solidifie lentement et présente une ségrégation chimique. La busette immergée permet irriguer et de brasser cette zone centrale.
Tous ces perfectionnements amènent Irving Rossi à garantir à ses clients une coulée ininterrompue pendant . Cette performance est atteinte dès les premiers essais. La coulée continue verticale Junghans-Rossi est alors rapidement adoptée dans l'industrie non ferreuse, avec, en 1951, un total de 12 machines opérationnelles, 5 en Allemagne et aux États-Unis et 2 autres en Grande-Bretagne.
Essais en sidérurgie (années 1940)
En 1939, après quelques tâtonnements, l'américain Edward Reel Williams brevette une innovation décisive : le soutènement du produit par rouleaux. La solidification n'étant plus cantonnée à la lingotière, la vitesse de coulée et la section des produits peuvent augmenter. En 1942, il s'associe avec la Republic Steel pour construire une machine pilote à l'usine Corrigan-McKinney, à Cleveland, capable de couler des billettes de et des mini-brames de . En 1948, Babcock & Wilcox rejoint ces associés pour construire une autre unité à son usine de Beaver Falls, qui dispose de technologies avancées, comme la régulation automatique du niveau d'acier liquide dans la lingotière et une supervision déportée par caméra.
À la fin de la Seconde Guerre mondiale, des industriels visionnaires se convainquent que la reconstruction doit prendre en compte des technologies de rupture. Des essais de coulée continue d'acier sont menés un peu partout dans les pays industrialisés, notamment en Allemagne de l'Ouest (toujours par Junghans) et au Japon où Sumitomo construit dès 1947, à Amagasaki, une machine verticale pour couler des ébauches pleines pour tubes sans soudure. Des recherches assez secrètes sont également menées aux États-Unis (Bethlehem Steel, Republic Steel, Babcock & Wilcox), en URSS et en Grande-Bretagne. Mais le succès bien établi du procédé dans les métaux non-ferreux montre la voie à tous.